Двухфазный генератор гармонических сигналов
Владельцы патента RU 2699590:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Изобретение относится к области радиотехники, в частности может использоваться для формирования гармонических сигналов возбуждения синусных и косинусных обмоток вращающихся трансформаторов. Технический результат заключается в повышении надежности за счет обеспечения высокой степени стойкости к внешним воздействующим факторам, а также обеспечения идентичности электрических характеристик синусного и косинусного сигналов генератора. Двухфазный генератор гармонических сигналов содержит триггер, инвертор, формирователь импульсных последовательностей, первый и второй сумматоры, первый, второй, третий и четвертый активные фильтры нижних частот второго порядка, первый и второй усилители мощности, блок ограничителей тока. 6 ил.
Изобретение относится к области радиотехники, в частности, может использоваться для формирования гармонических сигналов возбуждения вращающихся трансформаторов.
Известен двухфазный генератор гармонических сигналов (А.С. №1084941 приоритет от 11.09.1981, «Двухфазный генератор гармонических сигналов», авторы: Колбин В.А., Корепанов А.Г., МПК Н03В 27/00, опубликовано 07.04.1984 бюл. №13), содержащий последовательно соединенные мультивибратор и распределитель импульсов, блок ключей, фильтр нижних частот, дополнительные блок ключей и фильтр нижних частот, многоуровневый источник постоянных напряжений. Первый, второй, …, n выходы распределителя импульсов соединены соответственно с первыми, вторыми,..., n управляющими входами блока ключей и дополнительного блока ключей. Выход блока ключей подключен к входу фильтра нижних частот. Выход дополнительного блока ключей подключен к входу дополнительного фильтра нижних частот. Первый, второй, …, n сигнальные входы блока ключей подключены соответственно к первому, второму, …, n выходам многоуровневого источника постоянных напряжений. Первый, второй, …, n сигнальные входы дополнительного блока ключей соединены соответственно с k, k+1, …, k+n выходами многоуровневого источника постоянных напряжений, где k=ϕn/2π, (ϕ - сдвиг фаз между выходными сигналами, 2π/n - шаг дискретизации гармонического сигнала, n - любое число. Для повышения точности формирования гармонического сигнала требуется увеличивать число уровней аппроксимации, а, следовательно, и шаг n. Для сдвига на π/2 можно выбирать n=8, 12, 16, … и т.д. Данное устройство выбрано в качестве наиболее близкого аналога к заявляемому изобретению.
Недостатками известного двухфазного генератора гармонических сигналов являются:
- применение большого количества ключей (для сдвига фаз между выходными сигналами на π/2 требуется как минимум 16 ключей в двух блоках) и многоуровневого источника постоянных напряжений снижает надежность и увеличивает массогабаритные характеристики;
- для формирования выходных гармонических сигналов требуется применение многоуровневого источника постоянных напряжений как минимум с пятью опорными номиналами (в случае если выбран шаг n=8);
- неопределенность состояния выходных сигналов после включения электропитания и до момента установления питающих напряжений в номинальное значение;
- в описании известного генератора нет сведений о типе (активные/пассивные) и порядке фильтров нижних частот. Поскольку нет оговорки об активном типе, вероятнее всего, подразумеваются пассивные фильтры нижних частот, причем как минимум 3-4 порядков (либо два последовательно соединенных фильтра нижних частот 2 порядка на каждом выходе). А пассивные фильтры нижних частот 3-4 порядка (либо два последовательно соединенных фильтра нижних частот 2 порядка) уменьшают многократно амплитуду напряжений сигналов, сформированных на выходах блоков ключей. Кроме того, пассивный фильтр нижних частот 3-4 порядка сложен в настройке его амплитудно-частотной характеристики. Если применены активные фильтры нижних частот (так же, как минимум, 3-4 порядков), то тогда реализация схемы данного устройства становится неоправданно избыточной по количеству активных компонентов: источник с пятью, как минимум, опорными номиналами постоянных напряжений, как минимум шестнадцать ключей плюс два активных фильтра нижних частот 3-4 порядков (или четыре активных фильтра нижних частот 2 порядка).
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании генератора со следующими характеристиками:
- формирующего два (синусный и косинусный) идентичных выходных гармонических сигнала, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90° с высокой степенью точности;
- требующего для формирования выходных гармонических сигналов источника постоянных напряжений не более чем с 2 опорными номиналами;
- формирующего два гармонических сигнала (синусный и косинусный) с заданным значением амплитуды выходных напряжений и малым значением разности между ними;
- состоящего из минимального количества ЭРИ (электро- радио- изделий) на основе полупроводников;
- состоящего из минимального количества аналоговых узлов и составляющих их активных ЭРИ;
- обеспечивающего высокую степень идентичности и стабильности. электрических характеристик синусного и косинусного сигналов при изменении температуры окружающей среды во всем диапазоне рабочих температур;
- сохраняющего работоспособность с заданными электрическими характеристиками в условиях воздействия ВВФ (внешние воздействующие факторы) с высокими значениями характеристик воздействия.
Технические результаты, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в повышении надежности, уменьшении массогабаритных характеристик, в обеспечении высокой степени стойкости к ВВФ, в обеспечении точности, стабильности и идентичности электрических характеристик синусного и косинусного сигналов генератора.
Данные технические результаты достигаются тем, что в двухфазном генераторе гармонических сигналов, содержащем первый и второй фильтры нижних частот, новым является то, что дополнительно введены первый и второй сумматоры, третий и четвертый фильтры нижних частот, причем каждый фильтр выполнен в виде активного фильтра нижних частот, блок ограничителей тока, первый и второй усилители мощности, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами двухфазного генератора гармонических сигналов, формирователь импульсных последовательностей, инвертор, триггер, первый и второй управляющие входы которого являются соответственно первым и вторым входами двухфазного генератора гармонических сигналов, а первый, второй, третий и четвертый выходы триггера соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами формирователя импульсных последовательностей и первым, вторым, третьим и четвертым входами инвертора, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с пятым, шестым, седьмым и восьмым входами формирователя импульсных последовательностей, при этом восьмой вход соединен с первым входом триггера, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами формирователя импульсных последовательностей, первая группа выходов которого соединена с группой входов первого сумматора, выход которого соединен с последовательно соединенными первым фильтром нижних частот, третьим фильтром нижних частот и первым усилителем мощности, а вторая группа выходов - соединена с группой входов второго сумматора, выход которого соединен с последовательно соединенными вторым фильтром нижних частот, четвертым фильтром нижних частот и вторым усилителем мощности, при этом группа входов питания каждого сумматора, фильтра нижних частот, усилителя мощности соединена с соответствующей группой выходов блока ограничителей тока, входы которого являются входами питания двухфазного генератора гармонических сигналов, причем каждая из пар, образованных первым и вторым фильтрами нижних частот, третьим и четвертым фильтрами нижних частот, первым и вторым сумматорами, выполнена на соответствующем сдвоенном операционном усилителе.
Выполнение первого и второго сумматоров, а также первого/второго и третьего/четвертого фильтров нижних частот на сдвоенных операционных усилителях обеспечивает идентичность зависимости электрических характеристик синусного и косинусного сигналов двухфазного генератора гармонических сигналов от изменения температуры окружающей среды. Применение блока ограничителей тока предотвращает их пробой во время воздействия ВВФ, что повышает надежность генератора и его стойкость к ВВФ.
Схемотехническая реализация заявленного устройства позволяет для формирования выходных гармонических сигналов обходиться источником постоянных напряжений только с двумя опорными номиналами, а также уменьшает количество необходимых активных ЭРИ, что повышает надежность генератора и уменьшает его массогабаритные характеристики.
За счет применения в сумматорах и фильтрах нижних частот прецизионных резисторов и конденсаторов с малыми величинами температурного коэффициента сопротивления и температурного коэффициента емкости, соответственно, дополнительно обеспечивает высокую степень точности, стабильности и идентичности электрических характеристик синусного и косинусного сигналов двухфазного генератора гармонических сигналов.
На фиг. 1 представлена функциональная схема двухфазного генератора гармонических сигналов, на фиг. 2 представлены диаграммы выходных сигналов триггера, где А, Б, В, Г - импульсные сигналы на первом, втором, третьем и четвертом выходах триггера соответственно. На фиг. 3 представлены диаграммы импульсных последовательностей, формируемых формирователем импульсных последовательностей, на фиг. 4 - диаграммы квазигармонических сигналов QSIN1, QCOS1, на фиг. 5 - диаграммы квазигармонических сигналов QSIN2 и QCOS2, на фиг. 6 - диаграммы выходных сигналов Sin, Cos.
Двухфазный генератор гармонических сигналов (фиг. 1) содержит триггер 1, инвертор 2, формирователь 3 импульсных последовательностей, первый 4 и второй 5 сумматоры, первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 активные фильтры нижних частот второго порядка (далее по тексту - фильтр нижних частот), первый 10 и второй 11 усилители мощности, блок 12 ограничителей тока.
Первый и второй управляющие входы триггера 1 являются соответственно первым и вторым входами двухфазного генератора гармонических сигналов. Первый, второй, третий и четвертый выходы триггера 1 соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами формирователя 3 импульсных последовательностей и первым, вторым, третьим и четвертым входами инвертора 2. Первый, второй, третий и четвертый выходы инвертора 2 соединены соответственно с пятым, шестым, седьмым и восьмым входами формирователя 3 импульсных последовательностей. Восьмой вход формирователя 3 импульсных последовательностей соединен с первым входом триггера 1, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами формирователя 3 импульсных последовательностей. Первая группа выходов формирователя 3 импульсных последовательностей соединена с группой входов первого сумматора 4. Выход первого сумматора 4 соединен с последовательно соединенными первым фильтром 6 нижних частот, третьим фильтром 8 нижних частот и первым усилителем 10 мощности. Вторая группа выходов формирователя 3 импульсных последовательностей соединена с группой ходов второго сумматора 5. Выход второго сумматора 5 соединен с последовательно соединенными вторым фильтром 7 нижних частот, четвертым фильтром 9 нижних частот и вторым усилителем 11 мощности. Группа входов питания каждого сумматора 4 (5), фильтра нижних частот 6 (7, 8, 9), усилителя 10 (11) мощности соединена с соответствующей группой выходов блока 12 ограничителей тока, входы которого являются входами питания двухфазного генератора гармонических сигналов.
Все три логических узла двухфазного генератора гармонических сигналов (триггер 1, инвертор 2 и формирователь 3 импульсных последовательностей) выполняют на цифровом базовом матричном кристалле (БМК).
Сумматоры 4 и 5 выполняют на сдвоенном операционном усилителе (ОУ). К прямым входам операционных усилителей сумматоров 4 и 5 подключают соответственно сигналы SIN1, SIN2 и COS1, COS2 через суммирующие резисторы, а к инверсным входам - сигналы SIN3, SIN4 и COS3, COS4 также через суммирующие резисторы (на фиг. 1 не показано).
Пары активных фильтров 6, 7 и 8, 9 нижних частот на неинвертирующем частотно-зависимом отрицательном сопротивлении выполняют на сдвоенных ОУ соответственно.
Все резисторы и конденсаторы, применяемые в узлах сумматоров 4, 5 и фильтрах 6, 7, 8, 9 нижних частот должны быть прецизионными и с малыми значениями температурного коэффициента сопротивления и температурного коэффициента емкости соответственно.
Усилители 10, 11 мощности выполняют на комплементарных парах транзисторов.
Блок 12 ограничителей тока выполняют на токоограничительных резисторах, которые включены в цепи электропитания всех ОУ и в коллекторные цепи всех транзисторов. Блок 12 ограничителей тока предназначен для предотвращения пробоя ОУ и транзисторов во время воздействия ВВФ.
Двухфазный генератор гармонических сигналов работает следующим образом.
После включения внешнего электропитания двухфазного генератора гармонических сигналов на его первый вход подается внешний одиночный прямоугольный импульсный сигнал RES, который устанавливает триггер 1 в исходное состояние (на каждом выходе триггера 1 устанавливается уровень напряжения логического нуля) и удерживает его в этом состоянии до момента установления внешних опорных напряжений U1, U2 в номинальные значения.
На второй вход двухфазного генератора гармонических сигналов подаются внешние тактирующие прямоугольные импульсы CLK с частотой следования FIN. После окончания действия сигнала RES триггер 1 переходит в рабочий режим и на каждом его выходе под действием тактирующих импульсов CLK формируются импульсы с частотой следования FIN/8. При этом на каждом выходе триггера 1 формируется импульс, сдвинутый по фазе относительно импульса предшествующего выхода триггера 1 на 1/8 своего периода. Диаграммы выходных импульсных сигналов триггера 1 представлены на фиг. 2.
Выходные сигналы с триггера 1 поступают на входы инвертора 2 и на первый, второй, третий и четвертый входы формирователя 3 импульсных последовательностей. Выходные сигналы с инвертора 2 поступают на пятый, шестой, седьмой и восьмой входы формирователя 3 импульсных последовательностей. На всех выходах формирователя 3 импульсных последовательностей формируются сигналы с частотой следования FIN/8, диаграммы которых представлены на фиг. 3.
Сигналы на выходах формирователя 3 импульсных последовательностей формируются по следующим алгоритмам: SIN1=I& II, SIN2=III&VIII, SIN3=V&VI, SIN4=IV&VII, COS1=III&IV, COS2=II&V, COS3=VII&VIII, COS4=I&VI,
где I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII сигналы на первом, втором, третьим, четвертом, пятом, шестом, седьмом и восьмом входах формирователя 3 импульсных последовательностей соответственно.
Выходные сигналы SINI, SIN2, SIN3, SIN4 с первой группы выходов формирователя 3 импульсных последовательностей поступают на входы первого сумматора 4, а сигналы COS1, COS2, COS3, COS4 со второй группы выходов - на входы второго сумматора 5. На выходах первого 4 и второго 5 сумматоров формируются идентичные квазигармонические сигналы первого уровня приближения QSIN1 и QCOS1, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90°. Диаграммы квазигармонических сигналов QSIN1, QCOS1 представлены на фиг. 4.
Квазигармонические сигналы QSIN1, QCOS1 поступают на входы первого 6 и второго 7 фильтров нижних частот соответственно. На выходах фильтров 6, 7 нижних частот формируются идентичные квазигармонические сигналы второго уровня приближения QSIN2 и QCOS2, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90°. Диаграммы квазигармонических сигналов QSIN2 и QCOS2 представлены на фиг. 5.
Квазигармонические сигналы QSIN2 и QCOS2 поступают на входы третьего 8 и четвертого 9 фильтров нижних частот соответственно. На выходах фильтров 8, 9 нижних частот формируются идентичные гармонические сигналы SIN и COS, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90°.
Сформированные гармонические сигналы SIN и COS поступают на входы первого 10 и второго 11 усилителей мощности, которые усиливают поступающие сигналы до требуемых нагрузкой уровней амплитуды токов. На выходах первого 10 и второго 11 усилителей мощности создаются гармонические сигналы (см. фиг. 6) Sin и Cos частотой FIN/8, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90°.
Блок 12 ограничителей тока ограничивает токи, протекающие в сумматорах 4 и 5, активных фильтрах нижних частот 6, 7, 8, 9 и усилителях мощности 10, 11 во время воздействия ВВФ, предотвращая их пробой.
Двухфазный генератор гармонических сигналов, содержащий первый и второй фильтры нижних частот, отличающийся тем, что дополнительно введены первый и второй сумматоры, третий и четвертый фильтры нижних частот, причем каждый фильтр выполнен в виде активного фильтра нижних частот, блок ограничителей тока, первый и второй усилители мощности, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами двухфазного генератора гармонических сигналов, формирователь импульсных последовательностей, инвертор, триггер, первый и второй управляющие входы которого являются соответственно первым и вторым входами двухфазного генератора гармонических сигналов, а первый, второй, третий и четвертый выходы триггера соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами формирователя импульсных последовательностей и первым, вторым, третьим и четвертым входами инвертора, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с пятым, шестым, седьмым и восьмым входами формирователя импульсных последовательностей, при этом восьмой вход соединен с первым входом триггера, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами формирователя импульсных последовательностей, первая группа выходов которого соединена с группой входов первого сумматора, выход которого соединен с последовательно соединенными первым фильтром нижних частот, третьим фильтром нижних частот и первым усилителем мощности, а вторая группа выходов соединена с группой входов второго сумматора, выход которого соединен с последовательно соединенными вторым фильтром нижних частот, четвертым фильтром нижних частот и вторым усилителем мощности, при этом группа входов питания каждого сумматора, фильтра нижних частот, усилителя мощности соединена с соответствующей группой выходов блока ограничителей тока, входы которого являются входами питания двухфазного генератора гармонических сигналов, причем каждая из пар, образованных первым и вторым фильтрами нижних частот, третьим и четвертым фильтрами нижних частот, первым и вторым сумматорами, выполнена на соответствующем сдвоенном операционном усилителе.
