В различных областях техники широко применяется преобразо­вание электрических и неэлектрических величин в частоту гармони­ческого сигнала или в частоту следования импульсов.

В ряде случаев сигнал, представленный частотой, должен быть преобразован їв силу постоянного тока или уровень напряжения. Это преобразование чаще ївсего осуществляется для последующего на­блюдения за частотой с помощью показывающих приборов или для ввода сигнала, (представленного частотой, в измерительные или ре­гулирующие устройства с токовым или потенциальным входом.

Для преобразования частоты в постоянный ток с успехом мо­гут использоваться конденсаторные преобразователи. Ниже рассма­триваются в основном преобразователи низкой частоты (/<50 кгц) в постоянный ток. Такие устройства совместно с установленными на их выходе показывающими приборами, обычно микроамперметрами, называют конденсаторными или емкостно-разрядными частотоме­рами.

В конденсаторных преобразователях частоты в постоянный ток в течение каждого периода (или полупериода) или при каждом входном импульсе в нагрузку (указывающий прибор или входная цепъ промежуточного устройства) передается заряд:

И

q = СШ = £ і dt.

Так как средний ток определяется суммарным зарядом, перене­сенным в единицу времени, то

Icv = fq

или

Icp = fCAU. (6)

При постоянстве величин С и AU средний ток прямо пропорцио­нален частоте сигнала.

Структурная схема конденсаторного преобразователя частоты в постоянный ток (рис. 1) содержит три блока: 1 — формирователь входного сигнала (формирующий блок); 2— блок дозирования; 3 — фильтр.

Формирующий блок преобразует входной сигнал произвольной формы в прямоугольные импульсы, управляющие дозирующим устройством, в котором при каждом пришедшем импульсе (или паузе) на конденсаторе накапливается заряд. Этот за­ряд во время паузы (или со­ответственно импульса) пере­дается в фильтр, выделяющий постоянную составляющую сигнала, которая равна сред­нему току в нагрузке.

Схемы устройств форми­рования (Прямоугольных им­пульсов выбираются в зависи­мости от мощности и формы заданного входного сигнала.

Обычно этот блок состоит из последовательно соединенных усилителя напряжения УН, уси­лителя-ограничителя У О и спускового устройства, т. е. триггера Гг, который запускается дифференцированными импульсами У О (рис. 2). При мощном входном сигнале ряд элементов формирователя может быть исключен, например усилитель напряжения.

Дозирующее устройство вырабатывает заряд q при поступлении сигнала от формирующего блока. Величина этого заряда может за­висеть от частоты следования входных импульсов или быть постоян­ной, что достигается применением специальных мер.

Блок дозирования состоит из коммутирующего элемента и кон­денсатора с разделенными цепями зарядки и разрядки. Количество электричества (заряд), протекающее через каждую из цепей пере­зарядки за полный период переключения, равно произведению емко­сти конденсатора на перепад напряжений на нем и на источнике. Существуют однотактные и двухтактные блоки дозирования, описа­ние которых дано ниже. Схемы однотактных дозирующих устройств [Л. 1, 2] приведены на рис. 3,а, б.

Схема типового блока дозирования состоит из транзисторного ключа, выполненного на транзисторе Т, и дозирующей емкости Сі с разделенными цепями зарядки и разрядки (диоды Ді и Д2 соот­ветственно). При закрытом транзисторе (рис. 3,а) происходит за­рядка дозирующего конденсатора Ct через диод Л і и сопротивле­ние Rк, при открытом — разрядка через открытый транзистор, диод Д2 и сопротивление /?и. Как видно на временной диаграмме работы дозирующего блока (рис. 4), ток разрядки конденсатора Cj посту­пает на только во время действия входного импульса. Такой блок дозирования называют однотактным. Схема, приведенная на рис. 3,6, работает аналогично. В отличие от схемы (рис. 3,а) здесь в на­грузку Rn поступает ток зарядки, а не разрядки конденсатора.

Рис. 3. Схемы однотактных блоков дозирования.

Двухтактная схема дозирования применяется для увеличения

выходной мощности и облегчения фильтрации (рис. 5) (Л. 2]. Рабо­та схемы протекает следующим образом. На вход первого транзи­

стора поступают входные прямоугольные импульсы. При открытом гранзисторе Ті транзистор Т2 закрыт и происходит зарядка конден­сатора С2 и разрядка Сі. При закрытом транзисторе Ті транзистор Т2 открыт, заряжается конденсатор Сі и разряжается С2. Таким образом, экспоненциальные импульсы разрядки конден­саторов поступают на со­противление Rn как во вре­мя действия импульсов, так и во время пауз входного сигнала (см. временную диаграмму на рис. 6). При поступлении на дозирующее устройство импульсов с триггера формирователя его ключи могут управляться двумя выходами триг­гера.

Двухтактное дозирую­щее устройство с диод­ным мостом (Л. 3] при­ведено на рис. 7,а. Здесь при закрытом транзисторе 7 конден­сатор С заряжается через сопротивления Rn и /?к, диоды Д4 и Ді

(цепь зарядного тока показана сплошными стрелками). При откры­том транзисторе Ті конденсатор Ct разряжается через открытый триод, диоды Д2, Дз, сопротивление Ra (пунктирные стрелки на рис. 7,а). Благодаря мостовой диодной схеме направление тока в со­противлении Rn при зарядке и разрядке остается одним и тем же. Импульс, 'возникающий, при зарядке конденсатора (рис. 7,6), имеет меньшую амплитуду и медленнее затухает, поскольку постоянная

времени цени зарядки (7?к + #и)С больше постоянной времени цепи разрядки RuC.

Двухтактная двухъемкостная схема [Л. 4] дозирующего устрой­ства приведена на рис. 8.

Схема содержит трансформатор Тр с двумя выходными обмот­ками управления, включенными встречно друг другу и составляющи­ми с транзисторами Т1—Т2 и Г3—Г4 два компенсированных ключа КЛі и Кл2 и две дозирующие емкости С1 и С2.

Как видно, в данном устройстве отсутствуют диоды, выполняю­щие в однотактных схемах функции разделения цепей разрядки и зарядки дозирующей емкости. В схеме рис. 8 эти функции выпол­няют ключи поочередно. При подаче входного сигнала, например, синусоидальной или прямоугольной формы поочередно открываются ключи Клі и Кл2 и происходит разрядка конденсатора С* и заряд­ка С2, а затем обратный процесс.

Схема рис. 8 легко может быть преобразована в мостовую пу­тем включения нагрузки /?и в разрыв цепи, соединяющей общие

точки ключей и конденсаторов.

Приведенные выше дозирующие устройства являются простей­шими и не обеспечивают в реальных схемах независимости величи­ны заряда q от частоты следова­ния импульсов.

Фильтр выделяет постоянную составляющую сигнала (в частном случае равную среднему току) и выполняется в виде элементарных RC - или LC-звеньев первого или второго порядка. В частности,

♦

Рис. 8. Двухтактная двухъемкостная схема бло­ка дозирования.

в устройствах с визуальным отсчетом роль фильтра выполняет сам прибор магнитоэлектрической системы. Фильтр обычно подключается параллельно сопротивлению /?н, и ток на выходе фильтра опреде­ляет частоту входного сигнала.