ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ДОППЛЕРОВСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ
Высокое быстродействие горочных и локомотивных допплеровских измерителей скорости, необходимость измерения с высокой точностью как сравнительно низких до 2 км/ч, так и высоких до 250 км/ч скоростей движения определяют особенности применения формирователей стандартных импульсов и схем памяти блока измерителя-преобразователя (в горочных устройствах) и блока следящей фильтрации (в мобильных устройствах).
Формирователь стандартных импульсов (рис. 4.18) предназначен для преобразования допплеровского сигнала переменной амплитуды в импульсы с постоянной амплитудой и длительностью. Операционный усилитель MC1 работает как триггер. Значение порога срабатывания триггера определяется урон нем собственных шумов на выходе усилителя допплеровского сигнала. Значение порога срабатывания операционного усилителя регулируется сопротивлением R4; оно равно примерно 0,2 В. Сигнал, поступающий с выхода триггера, дифференцируется цепочкой C5R7, на выходе которой (при подаче на вход прямоугольного импульса) выделяются два разнополярных импульса. Импульсы с выхода дифференцирующей цепочки поступают на два входа операционного усилителя МС2, выполняющего роль инвертора для отрицательных импульсов и повторителя для положительных.
Рис. 4.18. Принципиальная схема формирователя стандартных импульсов
На выходе усилителя Э2 имеет место последовательность однополярных импульсов с частотой, равной удвоенной частоте допплеровского сигнала.
Стандартные импульсы формируются операционным усилителем МСЗ, собранным по схеме компаратора. Пилообразное напряжение на вход последнего подается от транзистора VT1. На выходе компаратора получаются прямоугольные импульсы отрицательной полярности, длительность которых регулируется резистором R17, в пределах 0,3 - 0,9 мс. Таким образом, в ФСИ удваивается частота допплеровского сигнала и формируются импульсы заданной длительности. Удвоение частоты сигнала позволяет уменьшить пульсации выходного аналогового сигнала при измерениях низких скоростей движения отцепов.
Схема памяти предназначена для поддержания постоянного уровня аналогового сигнала на выходе измерителя скорости при кратковременных „пропаданиях” импульсов допплеровского сигнала.
Допплеровский сигнал имеет переменную, случайно изменяющуюся во времени амплитуду. Глубина амплитудной модуляции достигает 100%. При обработке такого сигнала цифровыми методами (счетом числа импульсов за фиксированный интервал времени) или при аналоговой обработке возрастает погрешность измерения скорости. В случае аналоговой обработки при подаче допплеровского сигнала на интегрирующую цепь с малой постоянной времени возникают кратковременные скачкообразные изменения уровня выходного сигнала.
В РИС-В2 в блоке преобразования сигнала применена схема (рис. 4.19), в которой в моменты пропадания импульсов допплеровского сигнала постоянная времени интегрирующей цепи аналогового преобразователя возрастает за счет увеличения сопротивления цепей разряда конденсаторов интегратора. В результате этого напряжение на выходе интегратора не изменяется (запоминается), чем исключаются скачкообразные изменения сигнала на выходе измерителя скорости.
Рис. 4.20. Диаграммы работы узлов блока преобразования
Допплеровский сигнал (рис. 4.20, а) с выхода усилителя низкой частоты У (см. рис. 4.19) подается на два компаратора напряжения ST2 и ST3, построенных на операционных усилителях с различными порогами срабатывания. Порог срабатывания компаратора ST2 выше уровня собственных шумов измерителя примерно в 2 раза, а компаратора ST3-равен уровню верхней границы шумов. Сформированные компараторами последовательности импульсов (рис. 4.20, б и в) подаются в узел формирования счетных и стробирующих импульсов, причем стробирующие импульсы формируются в моменты пропаданий счетных импульсов.
Последовательность импульсов с компаратора ST3 поступает на одновибратор D4, который формирует из задних фронтов импульсов короткие опорные импульсы (рис. 4.20, г) отрицательной полярности. Выходные импульсы с компаратора ST2 устанавливают триггер D5 в единичное состояние, а опорные импульсы возвращают его в исходное состояние (рис. 4.20, д). Из заднего фронта импульсов, сформированных триггером D5. одновибратор D6 формирует короткие счетные импульсы отрицательной полярности (рис. 4.20, е). Опорные и счетные импульсы поступают на вычитающее устройство D7, схему И-НЕ, на выходе которой формируется разностная последовательность импульсов. Эта последовательность импульсов поступает на триггер D8 и устанавливает его в единичное состояние. Триггер D8 переключается при поступлении первого счетного импульса. Таким образом на выходе триггера D8 формируется на время пропадания допплеровского сигнала стробирующий (рис. 4.20, ж), предназначенный для управления схемой памяти. Последовательность счетных импульсов с выхода одновибратора D6 поступает на каждый мультивибратор МВ9, формирующий счетные импульсы заданной длительности (рис. 4.20, з). Сигнал с выхода мультивибратора МВ9 поступает через транзисторный ключ VT3 на интегратор R9C6 и R10C7 (см. рис. 4.19). Постоянная времени интегратора равна 0,06 с. Интегратор преобразует последовательность импульсов, частота следования которых прбпорциональна скорости, в постоянное напряжение, пропорциональное скорости (рис. 4.20, и). Крутизна преобразования равна 0,7 В/км при сопротивлении нагрузки более 1 кОм.
Сохранность значения выходного напряжения измерителя при пропадании последовательности сигнальных импульсов достигается управлением режимом работы транзисторов VT2 и VT5. При наличии последовательности сигнальных импульсов транзисторы VT3, VT4 и VT5 открыты, а транзистор VT2 закрыт. При пропадании сигнала стробирующий импульс закрывает транзисторы VT3, VT4 и VT5, открывает транзистор VT2. Сопротивление цепей разряда интегратора увеличивается, напряжение на выходе измерителя сохраняется постоянным. При появлении сигнала допплеровской частоты транзисторы устанавливаются в исходное состояние, что обеспечивает требуемое быстродействие измерителя скорости. При отсутствии допплеровского сигнала более 2 с режим памяти автоматически сбрасывается. Схема автоматического сброса состоит из пикового детектора VD1, конденсатора С1 и транзистора VT1. Узлы блока преобразования сигнала выполнены на интегральных микросхемах серии К155ЛАЗ.
Допплеровский сигнал с выхода предварительного усилителя приемно-передающего блока СВЧ измерителя проходит через полосовой фильтр Ф, ширина полосы пропускания которою определяется диапазоном измеряемых скоростей и подается на усилитель У с переменным дискретно изменяющимся в диапазоне 0-20 дБ коэффициентом усиления. С выхода усилителя сигнал поступает на компаратор К1, с которого последовательность импульсов допплеровской частоты подается на цифровой следящий фильтр ЦСФ, фазовый детектор ФД и частотный детектор. Блок следящей фильтрации применяют в мобильных измерителях параметров движения. Он предназначен для непрерывного
В начале движения состава (или измерения) на выходе компаратора К1 появляется последовательность импульсов, которая подается на частотный детектор ЧД. Частотный детектор формирует сигнал, который после интегрирования настраивает генератор ГУН на частоту, соответствующую частоте допплеровского сигнала. На выходе ЦСФ формируется сигнал, который через амплитудный детектор АД и компаратор К2 отключает частотный детектор ЧД, увеличивает коэффициент усиления усилителя У и переводит систему ЧАП в измерительный режим.
4.21. Структурная схема следящей фильтрации
В режиме слежения за частотой допплеровского сигнала на следящий фильтр ЦСФ с выхода компаратора К1 подается последовательность импульсов с частотой допплеровского сигнала. К выходу цифрового фильтра подключен вход фазового детектора ФД, на другой вход которого подается сигнал от компаратора К1. На выходе фазового детектора ФД формируются только те составляющие допплеровского сигнала, которые коррелированы с действительной частью частотной характеристики ЦСФ.
Выходной сигнал фазового детектора интегрируется и регулирует частоту ГУН таким образом, чтобы расстройка цифрового фильтра была равна нулю. Сигнал, который коррелирован с мнимой частью частотной характеристики, создает на выходе фазового детектора ФД переменное напряжение, которое сглаживается интегратором. Постоянная времени интегратора выбрана такой, чтобы кратковременные пропуски допплеровского сигнала не влияли на точность измерения.
При снижении скорости и остановке локомотива сигнал на выходе следящего фильтра ЦСФ уменьшается, компаратор К2 переводит усилитель У в режим малого усиления, обнуляет ЦСФ, включает частотный детектор ЧД и переводит блок следящей фильтрации в режим поиска.
Виктор Валерианович Григорин-Рябов, Александр Михайлович Вериго, Олег Иванович Шелухин, Виктор Иванович Шелухин
Радиотехнические железнодорожные устройства