摘要:本文对GST-1型三轴台的相差电压转换器的原理进行了深入分析,而且当鉴相宽度为最小分辨率时,提供对应的电压输出。本文还对引起误差的若干因素进行了定量计算。
1 引言
GST-1型三轴台能在0.000 1°/s的速度下工作,并对给定的0.000 1°的位置信号能做出响应,系统必须采用比相方案。这里,输入信号(∠0°)经若干环节将频率变换为2kc左右的方波,相位代表输入。而安装在转台上的感应同步器输出经前置放大器放大,再经某些环节处理将频率变为2kc的反馈方波(∠FBK),其相位代表转台的实际输出。将给定方波与反馈方波加到鉴相器中,这样就检出了转台给定角位置与转台实际角位置的偏差。
为了对系统进行控制,这里需将相差变成模拟电压,而电流泵是实现相差到模拟电压转换的最简捷形式,对于0.000 1°的相差,电流泵的输出可以分辨,不能有死区,而且线性度要好,对引起误差的若干因素能进行分析和采取对策,否则无法保证系统精度。
2 相差电压转换器电流泵
电流泵的作用是将鉴相后的相差转换为模拟电压,图1为其原理图。下面叙述其工作原理。图中,1Y、2Y为鉴相器的2个输出,亦为电流泵的2个输入,根据输入信号(∠O°)和输出信号(∠FBK)的相位关系,电流泵的输入有不同的方波波形。
当输出信号超前输入信号时,加在R1电阻上的电压为高电平,由于T1饱和使得T3发射极电平降低,又因为T3的基极为一恒定电平,因此T3截止。而加在R2上的2Y信号此时为一系列的负脉冲,使得T2截止,这时充电电流由C5地端经C5、T4、R6向-12V主向充电,泵电路输出负电压。②同样,当输出信号滞后输入信号时,加在2Y上的信号为高电平,则T2饱和,T2的集电极即T4的发射极为高电平,而T4的基极为恒定电压,因此T4截止。这时加在1Y端的信号为一系列负脉冲,使得T1截止,充电电流从+15V经R5、T3向C5充电,泵电路输出为正电压。
③当输入信号与输出信号相位相等时,1Y、2Y同时加入高电平,则T1饱和使得T3截止,T2饱和使得T4截止,这样C5上没有充电电流,因此泵电路输出零电压。图2为输出超前输入时电流泵输出波形图,图3为输出滞后输入时泵电路输出波形图。
从图2～3中可以看出:①随着相差的增大,泵电路的输出幅度也越大,但泵电路输出电压的波动也比较大,因此必须加入滤波器,以便驱动系统;②随着相差极性的改变,泵电路的输出电压的极性也改变。
3 误差分析
电流泵将鉴相脉冲宽度(时间)通过电容C5上的充电电流积分变为电压,为保证0.000 1°的精度,除鉴相误差外,必须找出在电流泵中引起误差的一些因素。这里涉及的是图1中T3、T4的恒流特性及电流放大倍数β的对称程度,d1、d2两稳压管的对称程度,积分电容的参数稳定性,电路中其他阻容元件的精度以及上述各元件的温度特性。
下面仅就充电电容C5和有关电阻及晶体管T3、T4的有关参数进行说明。电流泵积分电容C5上的输出电压为
式中C0对应图1中的积分电容,其值取为0.047μF;T0为鉴相方波脉冲宽度,相差的最小分辨率取50ns。I0可由下面数据求得。图1中电源电压为+12V。当T1饱和时,T1的集电极电压输出为5.2V,因此可求得泵电路在相差为0.000 1°时泵电路的输出为
采取上述措施,通过对图1的实验可得表1的数据,其中Δθ为输入、输出信号的相差,ΔU为泵电路输出。实测曲线与理论分析基本符合。电流泵在0.000 1°时无死区,而且线性度良好。
上,鉴相方波所引起的误差决定于测角系统所提供的反馈方波的误差,它(反馈方波∠FBK)受下列因素的影响:温度变化,电路中电磁干扰的排除,电路中的结构型式等。测角系统所提供的∠FBK越稳定,泵电路的特性就越好,精度就越高。
综上所述,其他各项措施,如直流稳压电源的稳定,晶体管的严格配对及选择良好的恒流特性、选择偏差小和温度特性良好的电阻、电容器件,在目前我国现有元器件水平的基础上,相位电压转换器—电流泵的精度和线性度是完全可以保证的。
作者简介 张延录,副教授,从事惯导测试设备研制,150001哈尔滨工业大学。
