ГЕНЕРАТОР ПСЕВДОПЕРИОДИЧЕСКОГО ЛОГИЧЕСКОГО СИГНАЛА Российский патент 2012 года по МПК H03K5/05 H03K5/13 

Настоящее изобретение относится к генератору псевдопериодического логического сигнала, используемому в различных целях и, в частности, для плазменного автомобильного зажигания с радиочастотным возбуждением резонатора многоискровой свечи.

В области современных систем автомобильного зажигания многоискровая свеча ВМЕ характеризуется инновацией и геометрией, отличными от классических свечей зажигания. Такая многоискровая свеча подробно описана в документах FR 03-10766, FR 03-10767, FR 03-10768, FR 04-12153 и FR 05-00777.

Многоискровая свеча ВМЕ содержит резонатор, резонансная частота Fc которого находится в диапазоне высоких частот, обычно от 4 до 5 МГц. Управление такой многоискровой свечой требует периодического сигнала управления с частотой F_p, максимально близкой к частоте F_c. В патентной заявке FR 05-12769, поданной на имя заявителя, описаны положения и требования, связанные с оптимальным управлением по частоте радиочастотным зажиганием этого типа. Коэффициент Q резонансного усиления напряжения многоискровой свечи и ее соответствующего резонатора является высоким, Q=90-100. Вследствие этого полоса пропускания Δω, обратно пропорциональная коэффициенту резонансного усиления напряжения согласно отношению Δω=1/Q, является относительно узкой. Следовательно, управление многоискровой свечой ВМЕ требует частоты управления F_p, равной резонансной частоте F_c, с более высокой точностью, чем 10 кГц, то есть ±0,2% для рассматриваемых частот.

Как известно, для получения периодического сигнала управления такой точности используют аналоговое решение, содержащее осциллятор с регулируемым напряжением (на английском: Voltage Controlled Oscillator, VCO). Такое решение имеет следующие недостатки: высокая чувствительность к помехам, трудность параметризации частоты и общая сложность.

Известно также использование цифрового решения при помощи целого деления значения контрольного синхрогенератора. Учитывая ожидаемую точность частоты, такое решение требует регулирования работы устройства по контрольной частоте, превышающей 2,5 ГГц. Стоимость процессора такого типа не позволяет использовать его в автомобильной промышленности.

Настоящее изобретение призвано устранить эти недостатки и предложить генератор псевдопериодического логического сигнала, основанный на синхрогенераторе, работающем на контрольной частоте F_ref, не превышающей несколько сот МГц. Такой генератор производит периодический сигнал с частотой F_fix, полученный путем целого деления контрольной частоты и регулярно изменяемый при помощи поправки С, применяемой для одного из его периодов с целью создания псевдопериодического сигнала со средней частотой F_moy=F_fix±С.

Объектом настоящего изобретения является генератор псевдопериодического логического сигнала, содержащий контрольный синхрогенератор, выполненный с возможностью создания контрольного сигнала с периодом T_ref, логическое запоминающее устройство, выдающее на выходе хранящееся в памяти логическое состояние и управляемое с целью изменения состояния при приеме импульса, первое средство производства, выполненное с возможностью производства номинального импульса по истечении базового интервала времени T_sec=К×T_ref, где К является целым числом, второе средство производства, выполненное с возможностью производства смещенного импульса по истечении измененного интервала времени T_sec=(К-±1)×T_ref, селекторное средство, выполненное с возможностью выбора между первым средством производства и вторым средством производства, средства, которое производит импульс, управляющий указанным логическим запоминающим устройством таким образом, чтобы включать смещенный импульс для исправления среднего периода с целью генерирования псевдопериодического сигнала со средним периодом

где К является целым числом, и L - реальным поправочным множителем, составляющим от 0 до 1.

Преимуществом устройства в соответствии с настоящим изобретением является то, что оно позволяет управлять резонатором многоискровой свечи ВМЕ с точностью средней частоты, близкой к ожидаемой частоте, при помощи базового синхрогенератора с относительно низкой частотой.

Другим преимуществом устройства в соответствии с настоящим изобретением является то, что оно позволяет просто определять К и L, являющиеся соответственно функциями целой части и дробной части соотношения

Согласно другому отличительному признаку настоящего изобретения генератор содержит также третье средство производства, выполненное с возможностью производства опережающего импульса по истечении укороченного интервала времени

при этом селекторное средство выполнено с возможностью выбора третьего средства производства, чтобы первые М импульсов были опережающими импульсами.

Таким образом, еще одним преимуществом устройства в соответствии с настоящим изобретением является то, что оно позволяет избежать появления перенапряжения на контактах управляемого транзистора в начале производства пакета псевдопериодических сигналов.

Еще одним преимуществом устройства является возможность ограничения потерь при переключении на контактах транзистора, при этом напряжение и ток на контактах транзистора смещены по фазе на значение П на резонансной частоте.

Объектом настоящего изобретения является также цепь радиочастотного зажигания, содержащая такой генератор, управляющий по частоте резонирующей цепью для производства плазмы.

Другие отличительные признаки, детали и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания, представленного в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - сравнительная хронограмма контрольного периодического сигнала и псевдопериодического сигнала, производимого генератором в соответствии с настоящим изобретением.

фиг.2 - вариант выполнения генератора в соответствии с настоящим изобретением.

фиг.3 - хронограмма начала псевдопериодического сигнала.

фиг.4 - схема радиочастотного зажигания.

На фиг.1 на диаграмме в зависимости от сравниваемого времени показан контрольный периодический сигнал 1 с периодом T_ref и сигнал, характеризующий псевдопериодический сигнал 2, производимый генератором в соответствии с настоящим изобретением.

В качестве примера цифровой версии в дальнейшем тексте описания предполагается, что контрольный синхрогенератор имеет период T_ref=8 не (F_ref=125 МГц) и что необходимо производить сигнал с заданным средним периодом Т_moy=170 нс). Путем целого деления значения контрольного синхрогенератора можно получить только периоды, кратные контрольному периоду T_ref, то есть 160 нс (×10) или 170 нс (×11).

Принцип изобретения основан на производстве периодов сигнала длиной, кратной контрольному периоду, и на корректировке среднего периода сигнала путем регулярного изменения длины поправочного периода. Указанное изменение может состоять в удлинении, соответственно в укорачивании указанного поправочного периода путем добавления, соответственно вычитания контрольного периода T_ref. Как показано на фиг.1, сигнал 2 содержит полупериоды длиной Т_sec=К×T_ref, где К=10. В зависимости от поправочного множителя L полупериод T_sec регулярно заменяют поправочным полупериодом, в данном случае удлиненным, длиной Т'_sec=(К+1)×T_ref. Альтернативно, этот поправочный период может быть укороченным и иметь длину Т'_sec=(К-1)×T_ref.

Если вернуться к примеру цифровой версии, параметры К=10 и L=0.625 позволяют, используя удлиненный период, получить средний период Т_moy=170 нс. Точно так же, параметры К=11 и L=0.375 позволяют, используя укороченный период, получить этот же средний период.

Для производства такого сигнала генератор, вариант выполнения которого показан на фиг.2, содержит контрольный синхрогенератор 5, выполненный с возможностью выдачи контрольного сигнала с периодом T_ref. Для формирования производимого сигнала 2 используют логическое запоминающее устройство 6. Это запоминающее устройство 6 выдает на выходе 62 сохраняемое логическое состояние (0 или 1). Это запоминающее устройство 6 управляется входом 61, при этом состояние выхода 62 меняется тогда и каждый раз, когда запоминающее устройство 6 принимает импульс на своем входе 61. В дальнейшем тексте заявки под импульсом следует понимать импульсный сигнал или сигнал, указывающий на изменение состояния, например фронт импульса. Такой импульс, независимо от его формата, образуется одновременно между принимающим запоминающим устройством 6 и излучающими средствами производства импульса. Генератор содержит также первое средство 7 производства, выполненное с возможностью производства, на основании указанного контрольного сигнала 1, номинального импульса по истечении базового интервала времени T_sec=К×T_ref, где К является целым числом, второе средство 8 производства, выполненное с возможностью производства, на основании указанного контрольного сигнала 1, смещенного импульса по истечении измененного интервала времени Т'_sec=(К±1)×T_ref.

Следует отметить, что если T_ref является периодом контрольного сигнала, T_sec и Т'_sec (и Т"_sec, который будет описан ниже) являются однородными интервалами времени с полупериодами псевдопериодического сигнала 2. Псевдопериодический сигнал 2 строится по полупериодам.

Генератор содержит также селекторное средство 10, 12, выполненное с возможностью выбора между первым средством 7 производства и вторым средством 8 производства, средство производства, которое производит импульс, управляющий указанным логическим запоминающим устройством 6. Указанный селектор 10, 12 отвечает за передачу последовательности номинальных импульсов, производимых первым средством 7 производства, и за включение в указанную последовательность регулярно вставляемого смещенного импульса с целью коррекции среднего периода. Таким образом, логическое запоминающее устройство 6 получает последовательность номинальных импульсов, сопровождаемую смещенным импульсом. Это позволяет генерировать псевдопериодический сигнал 2, периодически содержащий последовательности, состоящие из полупериодов длиной T_sec и из измененного периода длиной Т'_sec. Генерируемый таким образом псевдопериодический сигнал 2 имеет средний период Т_moy, вычисляемый в виде среднего значения, по меньшей мере, по N полупериодам, то есть

где К является целым числом, а L - реальным поправочным множителем, составляющим от 0 до 1.

Принимая среднюю частоту псевдопериодического сигнала 2 за F_moy, получаем следующее отношение

По определению из него можно вывести простые отношения между параметрами конфигурации К и L генератора и целой

и дробной

частями полуотношения периодов и полуотношения частот. Необходимо отличать случай, когда интервал времени увеличен, от случая, когда он укорочен. В случае, когда интервал времени увеличен, Т'_sec=(K+1)×T_ref, получают K=E и L=F. B случае, когда интервал времени укорочен, Т'_sec=(K-1)×T_ref, получают K=E+1 и L=1-F.

С учетом частот, выбранных для контрольного синхрогенератора, произвольно ограниченных несколькими сотнями МГц, и заданных средних частот, требуемых для псевдопериодического сигнала, составляющих от 4,17 МГц до 6,25 МГц, целое число К предпочтительно составляет от 10 до 15.

Предпочтительно псевдопериодический сигнал используют для управления многоискровой свечой БМЕ. На фиг.4 показана электронная схема такой свечи. Эта схема содержит подсхему 20, действующую как резонатор, построенный вокруг последовательного блока RLC, содержащего резистор Rs, катушку индуктивности Ls и конденсатор Cs. Когда этот резонатор 20 возбуждается на своем входе сигналом с частотой F_p, близкой к его собственной частоте F_c, он производит искру между электродами 24, 25 свечи. Другая подсхема 21, содержащая параллельный блок LC, состоит из катушки индуктивности Lp, параллельно соединенной с конденсатором Ср. Эта схема преобразует напряжение V2 в усиленное напряжение Va, которое подается на контакт МОП-транзистора 22, соединенный с входом 26 резонатора 20. Псевдопериодический сигнал 2 подается на затвор 23 транзистора 22. Указанный транзистор 22 действует как выключатель и передает (соответственно блокирует) напряжение Va на вход 26, когда сигнал 2 находится в верхнем (соответственно нижнем) логическом состоянии.

Многоискровая свеча производит искру между своими электродами 24, 25, когда ее резонатор 20 возбуждается псевдопериодическим сигналом 2. Чтобы контролировать создание искры, сигнал 2 не является непрерывным, а выдается в виде пакетов. В начале пакета начало возбуждения резонатора 20 создает переходный режим, который приводит к усилению напряжения на контактах транзистора 22. Это усиленное напряжение может превысить номинальное напряжение постоянного режима и является нежелательным, так как требует увеличения размерности электронных компонентов. Чтобы исключить или, по меньшей мере, уменьшить это усиление напряжения, можно сократить продолжительность первого или первых полупериодов сигнала 2.

Для этого предпочтительно генератор содержит третье средство 9 производства, выполненное с возможностью производства, на основании указанного контрольного сигнала 1, опережающего импульса по истечении укороченного интервала времени

что позволяет получить интервал времени, по меньшей мере, в два раза короче, чем базовый интервал времени, определяющий номинальный полупериод. Предпочтительно множитель К/2 является целым числом. В этом случае оператор деления является эвклидовым делителем. Селекторное средство 10, 11, 12 выполнено с возможностью выбора указанного третьего средства 9 производства, чтобы М первых импульсов, управляющих указанным логическим запоминающим устройством 6, были опережающими импульсами. М составляет от 1 до общего числа полупериодов пакета. Таким образом, для М первых полупериодов пакета логическое запоминающее устройство производит укороченные полупериоды.

Чтобы снизить стоимость компонентов, предпочтительно период T_ref контрольного синхрогенератора составляет от 1 нс до 200 нс, то есть рабочая частота составляет от 5 МГц до 1 ГГц. Согласно предпочтительному варианту выполнения период T_ref контрольного синхрогенератора равен 8 нс, что соответствует частоте 125 МГц.

Предпочтительно логическое запоминающее устройство 6 содержит реверсивный логический триггер DQ, предпочтительно автоматически поддерживаемый кольцевым регистром 63.

Согласно варианту выполнения средство 7, 8, 9 производства содержит регулируемый счетчик 7, 8, 9, выполненный с возможностью отсчета целого числа Р контрольных периодов T_ref и генерирования импульса в конце отсчета. Указанный счетчик соединен интерфейсом с контрольным синхрогенератором 5 и получает параметр отсчета Р.

Первое средство 7 производства регулируют по Р=К, чтобы производить номинальные полупериоды. Второе средство 8 производства устанавливают на Р=К+1 или соответственно на Р=К-1, чтобы производить удлиненные или соответственно укороченные полупериоды. Третье средство 9 производства устанавливают на Р=К/2 или на любое меньшее целое число, чтобы производить укороченные полупериоды в начале каждого пакета.

Предпочтительно первое средство 7 производства, второе средство 8 производства и третье средство 9 производства совмещают в едином средстве 7, 8, 9 производства, поочередно устанавливаемом на Р=К, Р=К±1 и Р=К/2. Выбор регулировки можно осуществлять при помощи селекторного средства 10, 11, 12.

Согласно предпочтительному отличительному признаку изобретения, селектор 10, 11, 12 содержит накопитель 12, в котором для каждого импульса, производимого средством 7, 8, 9 производства, происходит операция приращения на инкремент Inc, определяемый в зависимости от требуемой частотной поправки, и мультиплексор 10, 11, выполненный с возможностью выбора среди параметров К, К±1 и К/2. В накопитель 12 поступает информация о производстве импульса одним из средств 7, 8, 9 производства через ветвь 13. Мультиплексор может быть выполнен в виде единого блока или ступенчато из двух компонентов 10, 11, как показано на фиг.2. Выбор происходит через ветвь 19 для параметра К/2 в начале пакета для М первых импульсов пакета. Затем в установившемся режиме выбор происходит между К и К±1. По умолчанию селектор 10 передает на средство 7, 8, 9 производства параметр К для производства номинальных импульсов. Придя в состояние насыщения, накопитель 12 выбирает через ветвь 14 параметр К±1, чтобы производить измененные импульсы.

По своей функции накопитель 12 определяет, когда смещенный импульс должен быть вставлен между базовыми импульсами. Для этого накопитель 12 содержит регистр памяти на n бит и, таким образом, может принимать 2ⁿ значений. Чтобы учитывать. частотную поправку, необходимую для получения требуемой средней частоты F_moy, инкремент Inc равен Inc=Округл(2ⁿ·L). В этом случае получают

если импульс является запаздывающим (то есть когда интервал времени увеличен), или

если импульс является опережающим (то есть когда интервал времени укорочен). Функция Округл обозначает в данном случае ближайшее целое число. При производстве каждого импульса происходит инкрементация регистра. Насыщение достигается, когда указанный регистр достигает или превышает значение 2ⁿ, в этом случае для импульса через ветвь 14 выбирают параметр К±1. Регистр является циклическим и постоянно готов к инкрементации. Примечательно, что в этом варианте выполнения среднюю частоту F_moy сигнала получают без прямого отсчета полупериодов. Таким образом, эта частота является очень близкой к заданной частоте с учетом осуществленного округления. Таким образом, достигаемая точность повышается вместе с размером n регистра накопителя 12.

Регистр памяти для накопителя 12 на n=8 бит отвечает требуемой точности в данном варианте применения.

Возвращаясь к примеру цифровой версии, чтобы получить средний период T_moy=170 нс при контрольном периоде T_ref=8 нс, для накопителя 12, оборудованного 8-битовым регистром, следует применить инкремент Inc, равный

если поправочный полупериод удлинен, и этот случай соответствует К=10, и

если поправочный полупериод укорочен, что в данном случае соответствует К=11.

Согласно варианту выполнения генератор содержит регистры 16, 17, 18, 15 хранения параметров К, К±1, К/2 и инкремента Inc, позволяющих конфигурировать среднюю частоту F_moy Эти регистры, учитывая предусматриваемые значения, предпочтительно являются 4-битовыми регистрами 16, 17, 18 для К, К±1 и К/2 и 8-битовьм регистром 15 для инкремента Inc.

Для определения пакетов псевдопериодического сигнала 2 генератор содержит также регулируемое реле времени (не показано), выполненное с возможностью ограничения продолжительности генерирования указанного псевдопериодического логического сигнала 2.

Для правильного управления многоискровой свечой ВМЕ предпочтительно указанную продолжительность регулируют в пределах от 50 мкс до 500 мкс.

Предшествующее функциональное описание генератора в соответствии с настоящим изобретением не предполагает используемую технологию. Специалисту понятно, что описанные принципы можно применять для нескольких вариантов выполнения.

Генератор можно выполнять с дискретными логическими компонентами, такими как логические порты, счетчики, накопители.

Генератор можно также выполнять с соответствующим логическим компонентом типа интегральной схемы, специфической для варианта применения (или на английском языке: Application Specific Integrated Circuit или ASIC).

Генератор можно также выполнять, по меньшей мере, с одним программируемым компонентом типа программируемой вентильной матрицы (или на английском: File Programmable Gate Array или FPGA), микроконтроллера или микропроцессора.

Изобретение относится к генератору псевдопериодического сигнала, используемому в различных целях и, в частности, для плазменного автомобильного зажигания с радиочастотным возбуждением резонатора многоискровой свечи. Техническим результатом является повышение точности управления резонатором многоискровой свечи. Генератор псевдопериодического логического сигнала (2) со средним периодом Т_moy содержит: контрольный синхрогенератор (5) с периодом T_ref, логическое запоминающее устройство (6), изменяющее состояние при приеме импульса, первое средство (7) производства номинального импульса по истечении базового интервала времени T_sec=K×T_ref, где К является целым числом, второе средство (8) производства смещенного импульса по истечении измененного интервала времени T_sec=(K±1)×T_ref, селекторное средство (10, 12), выполненное с возможностью выбора средства, которое производит импульс, таким образом, чтобы регулярно включать смещенный импульс для коррекции среднего периода, с целью генерирования псевдопериодического сигнала. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Генератор псевдопериодического логического сигнала (2) со средним периодом Т_moy, отличающийся тем, что содержит:
- контрольный синхрогенератор (5), выполненный с возможностью производства контрольного сигнала (1) с периодом Т_ref,
- логическое запоминающее устройство (6), выдающее на выходе (62) хранящееся в памяти логическое состояние и управляемое с целью изменения состояния при приеме импульса,
- первое средство (7) производства, выполненное с возможностью производства на основании указанного контрольного сигнала (1) номинального импульса по истечении базового интервала времени T_sec=K·T_ref, где К является целым числом,
- второе средство (8) производства, выполненное с возможностью производства на основании указанного контрольного сигнала (1) смещенного импульса по истечении измененного интервала времени T_sec=(K±1)·T_ref,
- селекторное средство (10, 12), выполненное с возможностью выбора между первым средством (7) производства и вторым средством (7) производства средства, которое производит импульс, управляющий указанным логическим запоминающим устройством (6) таким образом, чтобы регулярно включать смещенный импульс для коррекции среднего периода, с целью генерирования псевдопериодического сигнала (2) со средним периодом где K является целым числом, и L - реальным поправочным множителем, составляющим от 0 до 1.

2. Генератор по п.1, содержащий также третье средство (9) производства, выполненное с возможностью производства на основании указанного контрольного сигнала (1) опережающего импульса по истечении укороченного интервала времени при этом селекторное средство (10, 11, 12) выполнено с возможностью выбора третьего средства (9) производства, чтобы первые М импульсов, управляющие указанным логическим запоминающим устройством (6), были опережающими импульсами.

3. Генератор по п.1 или 2, в котором период T_ref контрольного синхрогенератора (5) составляет от 1 нс до 200 нс.

4. Генератор по п.1, в котором логическое запоминающее устройство (6) содержит автоматически поддерживаемый реверсивный логический триггер (6).

5. Генератор по п.1, в котором средство (7, 8, 9) производства содержит регулируемый счетчик (7), выполненный с возможностью отсчета целого числа Р контрольных периодов T_ref и генерирования импульса в конце отсчета.

6. Генератор по п.5, в котором первое средство (7) производства устанавливают на Р=К, второе средство (8) производства устанавливают на Р=К±1 и третье средство (9) производства устанавливают на Р=К/2.

7. Генератор по п.6, в котором первое средство (7) производства, второе средство (8) производства и третье средство (9) производства совмещают в одном средстве (7, 8, 9) производства, поочередно устанавливаемом на Р=К, Р=К±1 и Р=K/2.

8. Генератор по п.1, в котором селекторное средство (10, 11, 12) содержит:
- накопитель (12), в котором для каждого импульса, производимого средством (7, 8, 9) производства, осуществляют операцию приращения на инкремент Inc, определяемый в зависимости от требуемой частотной поправки, и
- мультиплексор (10, 11), выполненный с возможностью выбора среди параметров К, К±1 и К/2 для установки параметра средства (7, 8, 9) производства, таким образом, что:
- параметр К/2 выбирают для М первых импульсов,
- после этого параметр К выбирают по умолчанию,
- параметр К±1 выбирают, когда накопитель (12) приходит в состояние насыщения.

9. Генератор по п.8, в котором накопитель (12) содержит регистр памяти на n бит, и в котором инкремент Inc равен если импульс является запаздывающим, или если импульс является опережающим.

10. Генератор по любому из пп.8 или 9, дополнительно содержащий 4-битовые регистры (16, 17, 18) хранения параметров К, К±1 и К/2 и 8-битовый регистр (15) хранения инкремента Inc.

11. Генератор по п.1, содержащий также регулируемое реле времени для ограничения продолжительности генерирования указанного псевдопериодического логического сигнала (2).

12. Цепь радиочастотного зажигания, отличающаяся тем, что содержит генератор (2) по любому из пп.1-11, транзистор (22) и резонирующую цепь (20), при этом генератор (2) управляет переключением мощности на резонирующей цепи (20) через транзистор (22) согласно указанному псевдопериодическому логическому сигналу с целью управления по частоте указанной резонирующей цепью (20) для производства плазменной искры.