Датчики угла поворота на основе СКВТ (синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы)

Министерство Образования РФ

Санкт-Петербургский

государственный электротехнический Университет “ЛЭТИ”

Реферат на тему:

«датчики угла поворота на основе СКВТ (синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы)»

Преподаватель: Тупик В. А.

Студент: Громов А. А.

Группа: 0193

Санкт-Петербург

2014

Актуальность.

Датчик угла поворота — устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота. Датчики угла поворота имеют множество применений. Они широко применяются в промышленности (в частности в сервоприводах), в роботостроении, в автомобилестроении (возьмем хотя бы определение угла поворота рулевого колеса), в компьютерной технике, например, для определения угла поворота колеса компьютерной мыши. Область их применений поистине широка, они используются как в гражданской, так и в военной промышленности. Самолеты, корабли, автомобили, да практически любая сложная техника требует их наличия для успешной работы. Также датчики угла поворота называют энкодерами.

Обзор проблемы.

Данные сенсоры позволяют решать целый спектр проблем управления, что видно из их актуальности. Достаточно сказать, что без датчика угла поворота рулевого колеса управлять автомобилем было бы попросту невозможно. Естественно, что столь широкая область применения требует различных качеств от различных датчиков. Кому-то важна низкая стоимость, другим надежность, третьим точность. СКВТ, изобретенные еще в 1930-х годах, до сих пор остаются актуальными и успешно применяются в качестве датчиков угла поворота. Свою известность СКВТ обрели благодаря относительно простой конструкции, надежной работе в самых тяжелых условиях эксплуатации и очень высокой точности измерения (в двухотсчетном варианте) угла поворота вала в следящих системах сервисных прецизионных приводов. Современные датчики угла поворота, использующие альтернативные физические принципы (фотоэлектрический, магниторезистивный, эффект Холла, вибро-, гироскопический и др.), привлекательны, но, к сожалению, не могут конкурировать с СКВТ ни по диапазонам, ни по совокупности параметров условий эксплуатации. Поэтому именно СКВТ сегодня наиболее востребованы в специальной и военной аппаратуре: до сих пор им нет равных по указанным параметрам. Главные проблемы СКВТ, всегда сдерживавшие их широкое практическое применение, заключаются в необходимости разработки сложных схемотехнических приемов подсоединения и способов выделения результатов измерений.

Наиболее успешное применение эти датчики, недавно отметившие свое восьмидесятилетие, находят в космической, авиационной и военной промышленности. В этих сферах очень нужна точность и, что более важно, надежность. Космос – недружелюбное место, а уж поле боя – тем более, и энкодеры на основе СКВТ до сих пор держат пальму первенства в столь тяжких условиях эксплуатации.

Физико-химические основы преобразования информации с помощью сенсора и его конструкция.

Начиная рассматривать основы преобразования информации датчика угла поворота на основе СКВТ и его конструкцию, нельзя не упомянуть принцип работы вращающихся трансформаторов (ВТ). 
Вращающиеся (поворотные) трансформаторы (ВТ) предназначены для получения напряжения, находящегося в определенной функциональной зависимости от угла поворота ротора. По конструкции вращающийся трансформатор схож с асинхронной машиной, выполненной с фазным ротором. Он состоит из:

1. корпуса
2. шихтованного сердечника статора
3. обмотки шихтованного сердечника статора
4. шихтованного сердечника ротора
5. обмотки шихтованного сердечника ротора
6. контактных колец
7. щеток

1.Устройство вращающегося трансформатора

На статоре ВТ обычно располагают две распределенные обмотки, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на 90 эл. град. Обмотки статора могут быть разделенными или соединенными по мостиковой схеме. Одна из обмоток статора называется обмоткой возбуждения и подключается к сети переменного тока; другая называется компенсационной, и ее схема включения зависит от назначения ВТ. В пазах ротора расположены также две взаимно перпендикулярные обмотки, называемые вторичными. Схема соединения их зависит от назначения ВТ.

Выводы обмоток, расположенных на статоре, обозначают С1, С2, СЗ и С4, в отличие от обмоток, расположенных на роторе, выводы которых обозначают P1, Р2, РЗ и Р4. Ротор ВТ может поворачиваться относительно статора на некоторый угол или вращаться. Электрический контакт с обмотками ротора осуществляется либо посредством контактных колец и щеток (см. рис. 1), либо посредством спиральных пружин, если ВТ работает в режиме ограниченного поворота. В последнем случае угол поворота ротора ограничивается максимальным углом закручивания спиральных пружин.

Принцип работы ВТ основан на том, что при повороте его ротора взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора изменяется в определенной функциональной зависимости от угла поворота. При этом э. д. с., наводимые в обмотках ротора пульсирующим магнитным потоком, строго следуют этой зависимости.

  Поворот ротора ВТ осуществляется посредством редукторного механизма высокой точности, который либо встраивается в корпус машины, либо изготавливается отдельно, а затем соединяется с валом ВТ. Если ВТ предназначен для работы в режиме поворота ротора в пределах определенного угла, то обмотки возбуждения и компенсационную располагают на статоре, а вторичные — на роторе. В случае работы ВТ в режиме непрерывного вращения ротора обычно применяют «обратное» расположение обмоток: обмотки возбуждения и компенсационную располагают на роторе, а вторичные— на статоре. Если компенсационная обмотка замыкается накоротко, то при обратном расположении обмоток на роторе будет лишь два контактных кольца, что имеет большое значение при больших частотах вращения ротора. В зависимости от характера изменения э. д. с. Е2 выходной обмотки при повороте ротора ВТ разделяются на следующие типы:

1. синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), на выходе которого имеется два напряжения: U2— находящееся в синусной зависимости от угла поворота ротора α; U3—находящееся в косинусной зависимости от угла α;

2. линейный вращающийся трансформатор (ЛВТ), у которого выходное напряжение U2 находится в линейной зависимости от угла α;

3. вращающийся трансформатор-построитель (ПВТ), предназначенный для решения геометрических задач.

Выпускаемые отечественной промышленностью ВТ предназначены для работы от сети с

Рассмотрим синусно-косинусный вращающийся трансформатор, который и есть суть наш датчик. Он может работать в нескольких режимах.

СКВТ в синусном режиме. В этом режиме СКВТ используется лишь одна (синусная) обмотка ротора ω2 (рис. 2, а). При включении в сеть обмотки возбуждения ω1 в ней появляется ток I1, который наводит магнитный поток Ф1.

Рисунок 2

Сцепляясь со вторичной обмоткой, этот поток индуктирует в ней э. д. с. 
E2, величина которой зависит от положения вторичной обмотки относительно обмотки возбуждения, т. е. от угла поворота ротора α. При холостом ходе на выходе ВТ появляется напряжение

 Ů2 = Ů2наиб sin α, (1)

где Ů2наиб — наибольшее значение напряжения, соответствующее α =90°. При подключении нагрузки Zн к зажимам вторичной обмотки Р1 — Р2 в ее цепи появляется ток I2. Созданный этим током магнитный поток Ф2 можно разложить на две составляющие: составляющую Ф2d =Ф2 sin α, направленную по продольной оси ВТ встречно магнитному потоку возбуждения, и составляющую Ф2 sin α, направленную по поперечной оси ВТ, т. е. перпендикулярно обмотке возбуждения, и вызывающую искажение магнитного поля ВТ (рис. 2,б). Размагничивающее влияние составляющей Ф2d уравновешивается увеличением тока в обмотке возбуждения.

Э. д. с. самоиндукции, наводимая составляющей Ф2q, в обмотке ω2, нарушает синусоидальную зависимость напряжения U2 от угла α и вызывает значительную погрешность вращающегося трансформатора, которая возрастает с увеличением нагрузки (тока I2). Устранение искажающего действия э. д. с. самоиндукции обычно осуществляется так называемым симметрированием трансформатора. Симметрирование может быть первичным и вторичным. В синусном режиме СКВТ, когда включена только одна вторичная обмотка, применяется первичное симметрирование, основанное на использовании компенсационной обмотки ωк. Если внутреннее сопротивление источника Z1 и соединительных проводов Zл мало (Z1≈Zл), то обмотка ωк замыкается накоротко. Если же Z1 достаточно велико, что имеет место при питании ВТ от источника небольшой мощности, то обмотка замыкается на резистор сопротивлением Zк.н= Z1+Zл 
Магнитный поток Ф2q, сцепляясь с компенсационной обмоткой, наводит в ней э. д. с. Eк. Так как обмотка замкнута накоротко, то в ней появляется ток Iк, который создает в магнитной цепи машины магнитный поток компенсационной обмотки Фк. Этот поток в соответствии с правилом Ленца, направлен против потока Ф2q (поток Ф2q является причиной возникновения Ек и потока Фк). В результате поток Ф2q окажется в значительной степени скомпенсированным потоком Фк, и погрешность ВТ, вызванная нагрузкой, значительно уменьшится.

Рис. 3 Синусно-косинусный вращающийся трансформатор

СКВТ в синусно-косинусном режиме. В этом режиме в схему СКВТ включают обе обмотки ротора — ω2 и ω3, смещенные в пространстве относительно друг друга на 90° (рис. 3, а). Зависимость напряжения обмотки от угла поворота ротора α определяется выражением (1), а напряжение на выходе обмотки ω3

U3 = U3наиб sin(90°+α) = U3наиб  cos α (2) 
 
Из выражения (2) видно, что напряжение U3 при повороте ротора на угол α изменяется пропорционально косинусу этого угла. Таким образом, на выходе СКВТ получается два напряжения — U2 и U3: первое изменяется пропорционально sin α, а второе—пропорционально cos α (рис. 3, б).

Обмотки ω2 и ω3 обычно имеют одинаковые параметры, а поэтому наибольшие значения напряжений U2наиб и U3наиб также одинаковы:

U2наиб = U3наиб = (ω2/ ω1)U1,

где U1 — напряжение на входе ВТ, т. е. на зажимах обмотки возбуждения ω1.

Таким образом, выражения напряжений на выходе СКВТ (см. (1) и (2)) могут быть записаны иначе:

U2 = U1 (ω2/ ω1) sin α (3) 
U3 = U1 (ω3/ ω1) cos α (4)

Рассмотрим работу СКВТ в случае неравенства нагрузок:

Z’н ≠ Z”н

где Z’н — сопротивление нагрузки в цепи синусной обмотки; Z”н — сопротивление нагрузки в цепи косинусной обмотки. 
При включении этих нагрузок в цепях обмоток ротора появятся токи İ2 и İ3, которые создадут в магнитной цепи ВТ магнитные потоки Ф2 и Ф3 (рис. 3(в)). Поперечные составляющие этих потоков Ф2q=Ф2 cos α и Ф3q=Ф3 sin α направлены навстречу друг другу и частично взаимно компенсируются. Полная взаимная компенсация поперечных потоков происходит при равенстве м. д. с. синусной и косинусной обмоток по поперечной оси:

i2 ω2 k2 cos α = i3 ω3 k3 sin α (5)

где k2 и k3 — обмоточные коэффициенты обмоток ротора. Токи в обмотках ротора при полной компенсации:

                                                                   (6)

                                                     (7)

где Z2 и Z3 полные сопротивления синусной и косинусной обмоток трансформатора. 
Подставив выражения токов из (6) и (7) в равенство (5) получим

(8)

Синусная и косинусная обмотки делаются одинаковыми, поэтому ω2 = ω3 и Z2 = Z3. Тогда равенство (8) видоизменяется:  
Z2 + Z’н = Z3 + Z”н или Z’н = Z”н

Таким образом, полная взаимная компенсация поперечных составляющих потоков обмоток ротора происходит при равенстве нагрузочных сопротивлений в синусной и косинусной цепях вращающегося трансформатора. Такая компенсация поперечных составляющих потоков реакции вторичных обмоток называется вторичным симметрированием. Если же нагрузочные сопротивления Z’н и Z”н не равны, то вторичное симметрирование получается неполным, так как поперечные составляющие Ф2q и Ф3q взаимно компенсируются лишь частично и в магнитной цепи ВТ появляется магнитный поток, направленный по поперечной оси:

Фq = Ф2q + Ф3q

Этот поток наводит в роторных обмотках э. д. с. самоиндукции, что ведет к искажению заданных функциональных зависимостей выходных напряжений. Магнитный поток Фq при Z’н ≠ Z”н может быть скомпенсирован за счет первичного симметрирования, т. е. за счет потока Фк, создаваемого током Iк короткозамкнутой компенсационной обмотки. 
При полном вторичном симметрировании ВТ входное сопротивление ZBX не зависит от положения ротора (угла α). Поэтому ток и мощность, потребляемые ВТ, также не зависят от угла α. На этом основан метод подбора нагрузочных сопротивлений синусной Z’н и косинусной Z”н обмоток для осуществления полного вторичного симметрирования, называемый методом амперметра. (рис.4)

Рис. 4 схема настройки симметрирования СКВТ методами амперметра и вольтметра.

Сущность метода состоит в том, что подбираются такие значения Z’н и Z”н, при которых поворот ротора не вызывает изменения показаний амперметра А, включенного в цепь обмотки возбуждения. Более точным методом вторичного симметрирования является метод вольтметра. Так как при полном вторичном симметрировании поперечные составляющие потоков синусной и косинусной обмоток взаимно уравновешиваются, то в компенсационной обмотке э. д. с. не наводится. Следовательно, сопротивления Z’н и Z”н подбираются такими, чтобы показание вольтметра V, включенного в цепь компенсационной обмотки, было нулевым во всех положениях ротора.

Принцип действия: пример.

Рис. 5 Схематический разрез вращающегося трансформатора и график распределения индукции вдоль окружности его статора и ротора

В этом примере будем считать, что обмотки В и К расположены на статоре, а обмотки S и С — на роторе. При подключении обмотки возбуждения В к сети переменного тока в машине возникает продольный магнитный поток Фd (рис. 5, а), пульсирующий во времени с частотой сети. При холостом ходе в обмотках ротора S и С этот поток индуцирует ЭДС ES0 и EС0, частота которых равна частоте сети f1, а действующее значение зависит от положения ротора относительно статора. Допустим, что магнитный поток Фd распределен в пространстве синусоидально (рис. 5, б); в этом случае индукция в воздушном зазоре изменяется вдоль окружности статора и ротора по закону

Вх = В0 cos (πx/τ)sin ωt,

где B0 — индукция в воздушном зазоре по оси обмотки В. В обмотке статора В поток Фd индуцирует ЭДС

Ев = 4,44f1 w1 koб1 Фdm ,

Еде w1 и koб1 — число витков и обмоточный коэффициент обмотки статора; Фdm — максимальное значение потока. Стоит помнить, что все основные положения и выводы остаются неизменными только в том случае, когда обмотки В и К расположены на роторе, а обмотки S и С — на статоре. Предположим, что ось обмотки С ротора сдвинута относительно оси обмотки статора на некоторый угол θ = πx0 /τ (рис. 5, а). В этом случае максимальное значение потока, сцепленного с обмоткой С,

Фсm = Фdm cos θ,

а ЭДС, индуцированная в этой обмотке,

EС0 = 4,44f1 w 2 koб2 Фdm cos θ,

где w2 и koб2 — число витков и обмоточный коэффициент обмотки ротора.

Из соотношения EС0 /Ев = [w2 koб2 /(w1 koб1 )]cosθ = k cosθ выходное напряжение косинусной обмотки при холостом ходе

EС0 = kЕв cos θ.

Обмотка S ротора сдвинута относительно обмотки С на угол π/2, следовательно, выходное напряжение в этой обмотке

ES0 = 4,44w2 koб2 Фdm cos (θ - π/2) = kЕв cos (θ - π/2) = kЕв sin θ.

Обмотка статора К с потоком Фd не связана, а следовательно, он не индуцирует в ней ЭДС. Эту обмотку используют для компенсации поперечных потоков, создаваемых обмотками ротора при нагрузке вращающегося трансформатора. Таким образом, в обмотках ротора при холостом ходе индуцируются ЭДС, пропорциональные синусу или косинусу угла поворота ротора относительно соответствующего потока.

Метрология и интерфейс.

Главные проблемы СКВТ, всегда сдерживавшие их широкое практическое применение, заключаются в необходимости разработки сложных схемотехнических приемов подсоединения и способов выделения результатов измерений. Они нуждаются в сложных электрических схемах подключения, управления и формирования данных. В этом пункте я опишу (с помощью временных диаграмм) не только стандартные способы обработки информации и подключения, но также и новые схемотехнические решения, существенно упрощающие процесс получения данных из СКВТ и устраняющие указанные недостатки. В них можно использовать как распространенные дешевые радиочастотные аналоговые, так и цифровые микросхемы.

Амплитудный способ получения данных СКВТ

Этот способ традиционно используется чаще других и заключается в возбуждении первичной обмотки синусоидальным током, полученным от генератора высококачественного гармонического сигнала с частотой от 1 до 20 кГц в зависимости от типа СКВТ. Далее, для выделения данных, заложенных в амплитудах считанных сигналов с косинусной и синусной обмоток, необходимо их демодулировать.

Рис. 6. Временные диаграммы напряжений на обмотках СКВТ:

1. Красный график — сигнал модуляции на первичной обмотке возбуждения.
2. Синий график — ФКМ-сигнал на выходной синусной обмотке.
3. Зеленый график — ФКМ-сигнал на выходной косинусной обмотке.
4. Черный график — косинусный сигнал СКВТ на выходе фазового демодулятора.
5. Черный график — косинусный сигнал СКВТ после фильтрации модулирующей частоты

Временные диаграммы возбуждающего и выходных напряжений на обмотках СКВТ показаны на рис. 6. По виду сигналы на рис. 6 (второй и третий сверху) принято называть фазокодоманипулированными (ФКМ). Они описываются известными формулами: (9)

где ϕ(t) — угол поворота выходного вала СКВТ. (Показан случай равномерного вращения). Функциональная схема формирования сигналов управления и обработки данных СКВТ показана на рис. 7а, а на рис. 76 приведена схема одного из главных узлов фазового демодулятора.

Рис. 7. а) Функциональная схема обработки сигналов СКВТ; б) схема фазового демодулятора

Ведущий генератор меандра Gen2 синхронизирует генератор синусоидального тока Gen1 и, кроме того, передает этот меандр в фазовые демодуляторы. Фазовый демодулятор представляет собой повторитель напряжения с управляемой полярностью сигнала на выходе. Отфильтрованный выходной косинусный сигнал (пятый график на рис. 6) и есть результат работы СКВТ. Аналогично поступают с ФКМ-синусным сигналом. Ответственными узлами за точность полученных результатов работы, а потому и схемотехнически сложными, являются генераторы модуляции Gen1 и Gen2, формирующие меандр и высококачественный гармонический сигнал со стабилизированной амплитудой, фазовые демодуляторы и фильтры. Полная электрическая схема обработки сигналов СКВТ оказывается непростой и обычно вызывает у разработчиков желание поискать какой-нибудь датчик попроще.

Способ фазового сдвига сигналов СКВТ.

Этот способ используют гораздо реже, чем первый, хотя бы из-за того, что в нем требуется не один, а два высококачественных гармонических сигнала: синусоидальной и косинусоидальной формы со стабилизированными амплитудами и с частотой от 1 до 20 кГц в зависимости от типа СКВТ. В отличие от первого способа возбуждение СКВТ производят гармоническими токами синусной и косинусной формы, подавая их на соответствующие «синусную» и «косинусную» обмотки. Они порождают в магнитопроводе СКВТ вращающееся магнитное поле, в которое помещена еще одна, выходная обмотка. В ней-то и индуцируется выходное напряжение, сдвинутое по фазе на угол поворота вала датчика относительно опорного сигнала, например относительно сигнала «синусной» обмотки.

Рис. 8. Временные диаграммы возбуждающих и выходных напряжений на обмотках СКВТ:

1. Красный график Y = U0 sin(ω t) — сигнал возбуждения, подаваемый на выходную «синусную» обмотку.
2. Синий график — сигнал возбуждения, подаваемый на выходную «косинусную» обмотку.
3. Зеленый график Y = U0 sin(ω + ϕ) — выходной сигнал СКВТ на входной «возбуждающей» обмотке, сдвинутый по фазе на угол ср поворота выходного вала.
4. Черный график — выходной сигнал «меандр», модулированный частотой генератора счетных импульсов  

В качестве опорного можно использовать сигнал «косинусной» обмотки с соответствующими поправками в расчетах. Затем фазовый сдвиг, как правило, измеряют подсчетом заполняющих высокочастотных импульсов (рис. 8, четвертый график). Чем выше частота их следования, тем выше точность измерений СКВТ. Временные диаграммы возбуждающих и выходных напряжений на обмотках СКВТ показаны на рис. 8. Видно, что выходной сигнал «меандр» импульсов нужно синтезировать по формуле:

Y=f and (sin(ω t)>0) и (U0 sin(ω + ϕ)<0),

 где f— логический сигнал, формируемый высокочастотным генератором счетных импульсов с частотой, стабилизированной кварцем. Полная электрическая схема, построенная по этому способу, ничуть не проще схемы предыдущего варианта.

 Следящий способ выделения сигналов СКВТ.

Analog Devices — единственная в мире компания, которая для реализации этого способа выпускает серию AD2S аналого-цифровых микросхем, например AD2S90, применив в них следящий принцип. Стоимость этих микросхем сегодня немалая, в диапазоне от $50 до 300, но других фирм-конкурентов на рынке нет. В России есть компании (например, «Военмех», Санкт-Петербург), выпускающие с приемкой «5», под заказ, единичные изделия в виде одноплатных контроллеров в формате плат PC-104 и Micro-PC со следящим принципом обработки, аналогичным применяемому в микросхемах AD2S90 фирмы Analog Devices. Стоимость этих плат еще выше и составляет от $200 до 700 при стоимости самого СКВТ от $500 до 1500. Способ реализуется «хитро» и достаточно сложно. Не будем на нем останавливаться. Своему практическому применению, он, вероятно, обязан тем, что основные узлы следящей системы изготовлены в виде самодостаточного набора микросхем, приобретаемых у фирмы Analog Devices по монопольным ценам. На рис. 9 показан вариант построения такого преобразователя сигналов СКВТ по следящему способу.

Рис. 9. Вариант построения преобразователя сигналов СКВТ по следящему способу

 Все описанные выше известные способы построения схем для управления и выделения данных СКВТ не вызывали у разработчиков большого энтузиазма их применения ни раньше, ни потом, когда на заводе «Фиолент» (СССР, г. Симферополь, 1980-2000 гг.) было освоено изготовление по гибридной технологии микросхем специальных серий «Поле» и «Колос». В них использовался следящий алгоритм работы, как позже и в упомянутых микросхемах AD2S90 (США). Учитывая высокие цены на комплектующие детали и сложность схем, я хочу показать иные схемы подключения и способы выделения данных СКВТ, принципиально отличающиеся от известных способов.

Способ преобразования вида модуляции сигналов СКВТ из ФКМ в AM.

Необычность предлагаемого способа заключается в предварительном преобразовании ФКМ-сигналов, формируемых СКВТ, в вид AM (амплитудной модуляции) этих же сигналов. Напомним, что в общем виде АМ-сигнал описывается известной формулой:

(10)

При λ > 1 возникает так называемый эффект «перемодуляции» сигнала. Раскрыв скобки, перепишем (9) так:

 (11)

Сравнивая формулы (11) и (9), можно заметить, что первое слагаемое в формуле (11) имеет вид гармонического сигнала возбуждения (рис. 9, первый график). Второе слагаемое в формуле (11) имеет почти такой же вид, но дополнительно каждый из ФКМ-сигналов в формуле (9) умножен на λ < 1. Таким образом, «синусный» и «косинусный» AM-сигналы могут быть получены алгебраическим сложением сигнала возбуждения СКВТ с соответствующим ФКМ-сигналом, аттенюированным с помощью резистивного делителя, то есть умножением на λ < 1. 
На рис. 10 приведены графики, показывающие реализацию этого способа.

Рис. 10. Преобразование вида модуляции выходных сигналов СКВТ из ФКМ в AM:

1. Синий график — сигнал модуляции, подаваемый в первичную обмотку возбуждения.
2. Красный график — ФКМ-выходной синусный сигнал.
3. Красный график — АМ-сигнал на выходной синусной обмотке.
4. Красный график — выходной синусный сигнал СКВТ после детектирования.
5. Зеленый график — ФКМ-выходной косинусный сигнал.
6. Зеленый график — АМ-сигнал на выходной косинусной обмотке.
7. Зеленый график — выходной косинусный сигнал СКВТ после детектирования

Последующие методы обработки АМ-сигналов хорошо известны радиоинженерам, так как AM-модуляция давно применяется почти во всех радиоприемниках. По этому способу были построены и проверены в работе несколько оригинальных электрических схем с использованием СКВТ типа ВТ-2.5 и распространенных серий (например, 174) радиочастотных интегральных микросхем: AM-детекторов, синхронных АМ-детекторов, УВЧ и УНЧ.

Способ преобразования ФКМ в AM и рефлексивного усиления сигналов СКВТ

Этот, способ отличается тем, что в схеме один и тот же усилитель выполняет сразу несколько операций: преобразования ФМ в AM, детектирования, фильтрации и рефлексивного усиления выпрямленного выходного косинусоидального напряжения СКВТ, тем самым дополнительно уменьшается количество элементов в электрической схеме.

Вариант функциональной схемы, работающей по этому способу, показан на рис. 11.

Рис. 11. Функциональная схема преобразователя ФКМ в AM с детектированием, фильтрацией и рефлексивным усилением сигналов СКВТ на одном операционном усилителе

Синусоидальное напряжение СКВТ следует подать на компаратор для определения знака синусного выходного напряжения.

Номинал резистора R3 задает коэффициент усиления, а резистором R8 можно, при необходимости, регулировать глубину АМ-модуляции.

По этому способу были построены и проверены в работе несколько оригинальных электрических схем на базе СКВТ типа ВТ-71 с использованием распространенных серий радиочастотных интегральных микросхем: AM-детекторов, синхронных АМ-детекторов, УВЧ и УНЧ.

Способ формирования сигналов СКВТ с возбуждением от генератора тока пилообразной формы

Этот способ концептуально отличается от известного «амплитудного» способа тем, что вместо возбуждающего генератора гармонического напряжения в нем применен генератор периодического тока пилообразной формы.

Идея основана на том, что полный магнитный поток в магнитопроводе СКВТ при таком возбуждении будет также периодически линейно изменяться. СКВТ является дифференцирующим элементом. Поэтому напряжения на синусной и косинусной обмотках будут пропорциональны первым производным по времени от их соответствующих нормальных проекций полного магнитного потока, то есть ЭДС на них пропорциональны, соответственно, sin ϕ и cos ϕ угла поворота выходного вала.

На рис. 12 приведены временные диаграммы работы СКВТ по предложенному способу.

Рис. 12. Временные диаграммы работы СКВТ с возбуждением от генератора пилообразного тока (в эксперименте соответствовали ϕ = 18°30'):

1. зеленый график — ток возбуждения СКВТ;
2. коричневый график — напряжение на выходной «косинусной» обмотке;
3. красный график — напряжение на выходной «синусной» обмотке

С помощью этого способа можно непосредственно, без дополнительной обработки, формировать выходные синусные и косинусные сигналы СКВТ в виде импульсов прямоугольной формы с амплитудами, пропорциональными, соответственно, sin ϕ и  
cos ϕ поворота вала. Постоянное «плато» сигналов прямоугольной формы позволяет увеличить время их апертуры до полупериода и подавать их на входы АЦП для считывания без предварительного традиционного сохранения в устройстве выборки-хранения (УВХ).

Способ формирования данных СКВТ с возбуждением от гиратора.

Уникальность этого способа в том, что в электрической схеме вообще отсутствует генератор (генераторы) возбуждения. Вместо него (вместо них) в схему введены элементы положительной обратной связи по напряжению, образующие совместно с элементами СКВТ схему гиратора. Гиратором называют электронную схему, позволяющую с помощью положительной обратной связи перераспределить энергию в электрической цепи с целью преобразования импеданса (R-L-C, активно-реактивного сопротивления) присоединенного к ней элемента (5). Кроме того, с помощью гиратора и дополнительного источника питания можно устранить влияние любого из элементов (R, L, С) на величину и форму протекающего в цепи тока. Датчик тока, установленный в цепи обмотки возбуждения СКВТ, совместно с гиратором и импульсным источником питания компенсирует энергетические потери на активном сопротивлении (R) и преобразует активно-индуктивный (R-L) импеданс обмотки возбуждения СКВТ в идеальное реактивное сопротивление индуктивности (L). При этом по обмотке возбуждения СКВТ станет протекать периодический ток пилообразной формы (а не экспоненциальной). Этот способ позволяет получить гораздо более качественное возбуждение СКВТ, не зависящее от параметров конкретного образца и даже его марки. А это, в свою очередь, повышает точность работы СКВТ. Графики, характеризующие работу СКВТ по этому способу, такие же, как на рис. 12. На рис. 13 показана функциональная схема способа формирования данных СКВТ с возбуждением от гиратора.