Устройство для преобразования импульсов

 

Устройство предназначено для преобразования импульсов с ограниченной крутизной фронта и может быть использовано для уменьшения искажений формы импульсов при сохранении высокого КПД преобразования напряжения в ток, а также для уменьшения постоянной составляющей тока на выходе устройства. Устройство содержит управляемые импульсные блоки питания, каждый из которых состоит из источника низкого напряжения и диода, включенного на его выходе, и источника высокого напряжения и управляемого ключа, включенного на его выходе. Выход ключа соединен с соответствующим электродом диода и является выходом блока питания, подключенным к соответствующим шинам питания оконечного двухтактного усилителя, вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, а выход - с индуктивной нагрузкой, последовательно с которой включены разделительный конденсатор и резистор обратной связи, вывод которого соединен с соответствующим входом предварительного усилителя. В каждом из блоков питания параллельно диоду включен соответствующий конденсатор. Устройство также содержит формирователь сигналов управления, вход которого соединен с сигнальным входом предварительного усилителя, а соответствующий выход - с управляющим входом соответствующего ключа в блоке питания. Технический результат: уменьшение искажений формы импульсов при сохранении высокого КПД и минимизация постоянной составляющей в выходном токе. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к импульсной технике, а более конкретно к устройствам для преобразования импульсов с ограниченной крутизной фронта, и может быть использовано для уменьшения искажений импульсов при сохранении высокого КПД преобразования напряжения в ток, а также для уменьшения постоянной составляющей тока на выходе устройства.

Для специальных применений при работе на индуктивную нагрузку, в частности для питания соленоидов невзаимных элементов кольцевых лазеров с частотной подставкой на основе эффектов Фарадея или Зеемана, необходим высокостабильный источник знакопеременного тока с заданной трапецеидальной формой импульсов и нулевым средним значением. Как правило, такой источник осуществляют за счет линейного преобразования в выходной ток напряжения трапецеидальной же формы с заданными значениями амплитуды и скорости нарастания. В этом случае основная задача сводится к обеспечению эффективного преобразования импульсов напряжения в ток без искажения их формы, а дополнительная - к минимизации постоянной составляющей на выходе такого преобразователя.

Искажение формы импульсов тока для указанного применения приведет к неадекватному управлению кольцевым лазером, а наличие в выходном токе постоянной составляющей может вызвать сдвиг и дрейф нуля кольцевого лазера.

Известно устройство для преобразования импульсов [1], содержащее последовательно соединенные предварительный усилитель, сигнальный вход которого является входом устройства, и оконечный двухтактный усилитель с индуктивной нагрузкой, последовательно с которой включен резистор обратной связи, точка соединения которого с нагрузкой подключена к соответствующему входу предварительного усилителя, а также управляемые импульсные блоки питания с источниками низкого и высокого напряжения.

Устройство [1] обеспечивает высокое быстродействие и КПД преобразования. Однако это требует высоковольтного питания для предварительного усилителя и достигается за счет искажения формы импульсов выходного тока и снижения надежности, т. к. во время переходного процесса предварительный усилитель попадает в ключевой режим и к одному из его транзисторов в режиме отсечки прикладывается двойное напряжение от высоковольтных источников.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для преобразования импульсов [2], содержащее последовательно соединенные предварительный усилитель, сигнальный вход которого является входом устройства, и оконечный двухтактный усилитель с индуктивной нагрузкой, последовательно с которой включен резистор обратной связи, точка соединения которого с нагрузкой подключена к соответствующему входу предварительного усилителя, а также управляемые импульсные блоки питания, каждый из которых состоит из источника низкого напряжения с диодом требуемого включения на его выходе и источника высокого напряжения с управляемым ключом на его выходе, при этом выход ключа соединен с соответствующим электродом диода и является выходом блока питания, подключенным к соответствующей шине питания оконечного двухтактного усилителя, выход которого соединен также с управляющим входом ключа.

Устройство [2] предназначено для преобразования прямоугольных импульсов и обладает более высокими КПД и надежностью работы. В режиме "малого" сигнала транзисторы двухтактного усилителя питаются от источников низкого напряжения, а в режиме "большого" сигнала - от источников высокого напряжения (через насыщенные транзисторы выходных каскадов и открытые ключи).

Однако при преобразовании сигналов с ограниченной скоростью нарастания, например имеющих трапецеидальную форму импульсов, во время переходного процесса при "промежуточных" значениях сигнала часть транзисторов двухтактного усилителя находится в насыщении, а другая часть - в режиме отсечки так, что пропорциональность между выходным током и входным напряжением в этом устройстве нарушается и форма импульсов, как и в [1], искажается. Другим недостатком устройства [2] является наличие в его выходном токе постоянной составляющей, обусловленной смещением нуля предварительного усилителя, что, как уже говорилось, может вызвать сдвиг и дрейф нуля кольцевого лазера.

Из проведенного анализа уровня следует, что известные устройства не позволяют в полной мере решить поставленные задачи эффективного (с высоким КПД) преобразования импульсов напряжения с ограниченной скоростью нарастания (например, трапецеидальных) в ток без искажения их формы и минимизации постоянной составляющей в выходном токе.

Решение указанных задач оказалось возможным благодаря тому, что в устройство для преобразования импульсов, содержащее последовательно соединенные предварительный усилитель, сигнальный вход которого является входом устройства, и оконечный двухтактный усилитель с индуктивной нагрузкой, последовательно с которой включен резистор обратной связи, вывод которого подключен к соответствующему входу предварительного усилителя, а также управляемые импульсные блоки питания, каждый из которых состоит из источника низкого напряжения с диодом требуемого включения на его выходе и источника высокого напряжения с управляемым ключом на его выходе, при этом выход ключа соединен с соответствующим электродом диода и является выходом блока питания, подключенным к соответствующей шине питания оконечного двухтактного усилителя, согласно изобретению введен формирователь сигналов управления, вход которого соединен с сигнальным входом предварительного усилителя, а соответствующий выход - с управляющим входом ключа соответствующего блока питания, а в каждом блоке питания параллельно диоду дополнительно включен конденсатор.

Сущность изобретения заключается в предложенной авторами идее управляемой подготовки устройства к условиям, возникающим во время переходного процесса. А именно: в "нерабочую" часть периода напряжение питания транзисторов соответствующего (нерабочего) плеча оконечного двухтактного усилителя к началу "рабочей" его части повышается (по абсолютной величине) до значения, при котором оно оказывается заведомо больше выбросов напряжения в течение всего переходного процесса изменения направления тока в индуктивной нагрузке, вызванного сменой полярности сигнала на входе устройства. Причем, поскольку переходный процесс происходит за время порядка длительности фронта импульсов на входе устройства, то и указанное превышение питания необходимо лишь на это время. В остальное время напряжение питания поддерживается на достаточно низком уровне, определяемом амплитудой импульсов на входе устройства.

Наиболее простым осуществлением этой идеи оказалось использование конденсатора в качестве дополнительного источника питания, устанавливаемого в блоке питания последовательно с источником низкого напряжения и подзаряжаемого от источника высокого напряжения через ключ, открытый в течение "нерабочей" части периода. Работой ключа "управляет" сам входной сигнал через введенный в устройство формирователь сигналов управления. Так что при смене полярности входного сигнала ключ закрывается и в начале "рабочей" части периода конденсатор разряжается, а потребление соответствующего плеча оконечного двухтактного усилителя происходит (через диод) только от источника низкого напряжения.

Особенностью такой реализации изобретения является то, что упомянутые выбросы напряжения как бы "вписываются" в изменяемое напряжение питания оконечного усилителя, нигде не превышая его, что и обеспечивает неискаженное преобразование формы входного импульсного сигнала. Но там, где эти выбросы отсутствуют, напряжение питания остается на низком уровне и, таким образом, сохраняется высокий КПД устройства.

Другая особенность этой реализации изобретения связана с тем, что указанное "вписание" выбросов напряжения осуществляется в результате действия отрицательной обратной связи (ООС) по переменному току. Это позволяет дополнительной заменой ООС по постоянному току на 100% ООС по постоянному напряжению обеспечить возможность уменьшения постоянной составляющей тока на выходе устройства, обусловленной в основном дрейфом нуля предварительного усилителя, за счет включения разделительного конденсатора между индуктивной нагрузкой и резистором обратной связи. Такой возможности прототип не имеет. Дополнительным преимуществом такого включения является то, что разделительный конденсатор в результате действия 100% ООС по постоянному напряжению будет постоянно находиться под нулевым напряжением. Это минимизирует постоянную составляющую выходного тока устройства до уровня минимальных токов утечки разделительного конденсатора (порядка 10^-8A).

Необходимо подчеркнуть, что для осуществления изобретения оказывается несущественной конкретная конструкция оконечного двухтактного усилителя, поскольку идея связана лишь с соответствующим изменением его питания. Этот усилитель может быть выполнен аналогично прототипу или же так, как указано в примере осуществления изобретения. Равным образом несущественны и конкретные конструкции предварительного усилителя, формирователя сигналов управления, ключей, а также источников низкого и высокого напряжения, т.к. сущность изобретения, как ясно из описанного выше, никоим образом не связана с этими конструкциями. Существенно же лишь наличие этих элементов в устройстве, а их конструкции приведены исключительно для иллюстрации, но не для ограничения изобретения.

Проведенный анализ сущности изобретения и особенностей его осуществления подтверждает обоснованность выбора общих существенных признаков, описывающих заявляемое устройство для преобразования импульсов, а наличие среди них отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого изобретения условиям патентоспособности по новизне.

При этом из анализа уровня техники следует, что упомянутая задача была поставлена авторами впервые, а ее решение с использованием конденсаторов, заряжаемых с помощью формирователя сигналов управления, для "вписания" выбросов напряжения, вызванных переходными процессами, в изменяемое соответствующим образом напряжение питания оконечного двухтактного усилителя, позволяющее сохранить форму входных импульсов и высокий КПД устройства, не применялось в двух решениях в этой или в смежных областях техники. Это позволяет сделать вывод, что заявляемое изобретение соответствует условиям патентоспособности и по изобретательскому уровню.

Описанная выше сущность изобретения поясняется на конкретных примерах его осуществления. На фиг.1, 2 приведены принципиальные схемы устройства согласно изобретению и отдельных его элементов. На фиг.3 представлены эпюры сигналов в некоторых характерных точках схемы фиг.1.

Устройство для преобразования импульсов (фиг.1) содержит последовательно соединенные предварительный усилитель 1, сигнальный вход которого является входом устройства, и оконечный двухтактный усилитель 2 с индуктивной нагрузкой 3, последовательно с которой включен резистор 4 обратной связи, вывод которого подключен к соответствующему входу предварительного усилителя 1, а также управляемые импульсные блоки питания 5 (6), каждый из которых состоит из источника 7 (8) низкого напряжения, управляемого ключа 9 (10), включенного на выходе источника 11 (12) высокого напряжения, и диода 13 (14), включенного в требуемом направлении на выходе источника 7 (8) низкого напряжения. При это выход ключа 9 (10) соединен с соответствующим электродом диода 13 (14) и является выходом блока питания 5 (6), подключенным к положительной (отрицательной) шине питания оконечного двухтактного усилителя 2, а параллельно диоду 13 (14) дополнительно включен конденсатор 15 (16). Устройство содержит также формирователь 17 сигналов управления, вход которого соединен с сигнальным входом предварительного усилителя 1, в соответствующий выход - с управляющим входом ключа 9 (10) блока питания 5 (6). Конкретные выполнения усилителей 1, 2 показаны на фиг.1 внутри контуров, обведенных штрихпунктирной линией, а ключей 9, 10 и формирователя 17 - внутри выносных контуров, обведенных штриховой линией.

Постоянное напряжение на резисторе 4 обратной связи, равное смещению нуля предварительного усилителя 1, определяет уровень постоянной составляющей в выходном токе устройства. Как уже говорилось, предлагаемое изобретение позволяет наряду с уменьшением искажения формы импульсов уменьшить этот уровень. Для этого в схему устройства (фиг.2) дополнительно введены цепь 18 обратной связи по постоянному напряжению, цепь 19 обратной связи по переменному току и разделительный конденсатор 20, включенный между нагрузкой 3 и резистором 4 обратной связи, причем упомянутый вывод резистора 4 подключен к соответствующему входу предварительного усилителя 1 через цепь 19, а точка соединения нагрузки 3 с разделительным конденсатором 20 подключена к тому же входу предварительного усилителя 1 через цепь 18.

Устройство работает следующим образом (фиг. 1, 3). На вход предварительного усилителя 1 поступает знакопеременное напряжение трапецеидальной формы с нулевым средним значением (сигнал вида 3.1). Одновременно этот же сигнал подается на вход формирователя 17 для управления состоянием ключей 9, 10 в зависимости от знака этого сигнала. При этом положительному знаку соответствует закрытое состояние ключа 9 и открытое состояние ключа 10, а при отрицательном знаке состояние ключей изменится на противоположное. В последнем случае питание оконечного двухтактного усилителя 2 происходит через диод 14 от источника 8 низкого отрицательного напряжения, а потребление от источника 7 положительного напряжения при этом практически отсутствует. Конденсатор 15 через открытый ключ 9 заряжается до высокого положительного напряжения источника 11 (см. кривая 3.2) и поддерживает это напряжение на шине положительного питания усилителя 2 во время всего переходного процесса изменения направления тока в нагрузке 3. При этом величина импульсного положительного напряжения на выходе усилителя (кривая 3.3), вырабатываемого в результате действия общей ООС, "вписывается" под кривую 3.2 напряжения на конденсаторе 15, нигде не превосходя ее, и обеспечивает тем самым заданную сигналом 3.1 на входе усилителя 1 скорость нарастания выходного тока (кривая 3.5) в индуктивной нагрузке 3. В начале положительного полупериода выходного тока конденсатор 15 разряжается (ключ 9 закрыт) и потребление усилителя 2 происходит через диод 13 от источника 7 низкого положительного напряжения. В это время конденсатор 16 через открытый ключ 10 заряжается до высокого отрицательного напряжения источника 12 (см. кривая 3.4) и поддерживает это напряжение на шине отрицательного питания усилителя 2 во время всего переходного процесса изменения направления тока в нагрузке 3. Далее эта процедура повторяется и, таким образом, действие обратной связи во время переходного процесса не прерывается (в отличие от прототипа) и тем самым обеспечивает линейное неискаженное преобразование формы входного импульсного сигнала при сохранении высокого значения КПД устройства.

Следует отметить, что описанный режим управления состоянием ключей 9, 10 в зависимости от знака входного сигнала устройства справедлив для случая преобразования импульсов без инверсии. Для преобразования импульсов с инверсией соответствие между знаком входного сигнала и состоянием ключей меняется на противоположное, т.е., например, положительному значению входного сигнала соответствует закрытое состояние ключа 10 по шине отрицательного питания и открытое состояние ключа 9 по шине положительного питания.

В схемном решении фиг.2 устройство работает аналогичным образом. Уровень постоянной составляющей в выходном токе устройства определяется током утечки разделительного конденсатора 20 и входным током предварительного усилителя 1. Величина входного тока ряда современных ОУ с полевыми транзисторами на входе достаточно мала (порядка 10^-9A), минимальность тока утечки разделительного конденсатора (порядка 10^-8A) достигается за счет малости приложенного к нему постоянного напряжения, равного смещению нуля предварительного усилителя 1 в результате действия введенной 100%-ной ООС по напряжению.

Поскольку при реализации описанных примеров осуществления изобретения используются известные элементы и блоки, производство которых освоено промышленностью, то это позволяет считать, что заявляемое изобретение удовлетворяет условиям патентоспособности по промышленной применимости.

Эти и другие примеры осуществления, вместе с тем, нельзя рассматривать как ограничения заявляемого изобретения. Они являются, как уже говорилось, лишь иллюстрациями, позволяющими лучше понять его сущность, которая в наиболее полной мере описана в формуле изобретения.

Литература 1. Авторское свидетельство СССР N 410548, кл. H 03 K 6/02, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР N 1084956, кл. H 03 F 3/26, 1984.

Формула изобретения

1. Устройство для преобразования импульсов, содержащее последовательно соединенные предварительный усилитель, сигнальный вход которого является входом устройства, и оконечный двухтактный усилитель с индуктивной нагрузкой, последовательно с которой включен резистор обратной связи, вывод которого подключен к соответствующему входу предварительного усилителя, а также управляемые импульсные блоки питания, каждый из которых состоит из источника низкого напряжения с диодом требуемого включения на его выходе и источника высокого напряжения с управляемым ключом на его выходе, при этом выход ключа соединен с соответствующим электродом диода и является выходом блока питания, подключенным к соответствующей шине питания оконечного двухтактного усилителя, отличающееся тем, что в него введен формирователь сигналов управления, вход которого соединен с сигнальным входом предварительного усилителя, а соответствующий выход - с управляющим входом ключа соответствующего блока питания, а в каждом блоке питания параллельно диоду дополнительно включен конденсатор.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введен разделительный конденсатор, включенный между нагрузкой и резистором обратной связи, причем упомянутый вывод этого резистора подключен к соответствующему входу предварительного усилителя через цепь обратной связи по переменному току, а точка соединения нагрузки с разделительным конденсатором подключена к тому же входу предварительного усилителя через цепь обратной связи по постоянному напряжению.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 20.06.2006        БИ: 17/2006

---