ГЕНЕРАТОР ДВУХФАЗНЫХ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 2022 года по МПК H03B27/00 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности, может использоваться для формирования двухполярных гармонических сигналов возбуждения синусных и косинусных обмоток вращающихся трансформаторов.

Известен генератор двухфазных гармонических сигналов (патент РФ №2761109 приоритет от 29.03.2021 «Генератор двухфазных гармонических сигналов», авторы: Гуськов В.И., Кирсанов К.С., Фатин В.Н., МПК Н03В 27/00, опубл. 06.12.2021 Бюл. №34), содержащий триггер, инвертор, формирователь импульсных последовательностей, первый и второй сумматоры, первый, второй, третий и четвертый активные фильтры нижних частот второго порядка (далее по тексту - АФНЧ), первый и второй повторители напряжения, первый, второй, третий и четвертый элементы отрицательной обратной связи, первый, второй, третий и четвертый усилители мощности, блок ограничителей тока, первый, второй, третий и четвертый элементы частотной коррекции, первая, вторая, третья и четвертая снабберные цепочки.

Первый и второй управляющие входы триггера являются соответственно первым и вторым входами генератора двухфазных гармонических сигналов. 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 инвертора соединены соответственно с пятым, шестым, седьмым и восьмым входами формирователя импульсных последовательностей. Восьмой вход формирователя импульсных последовательностей 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 формирователя импульсных последовательностей соединена с группой входов первого сумматора. Выход первого сумматора соединен с последовательно соединенными первым и третьим фильтрами нижних частот. Выход третьего фильтра нижних частот соединен с входом первого усилителя мощности, первым входом первого повторителя напряжения и через первый элемент частотной коррекции со вторым входом третьего АФНЧ. Выход первого усилителя мощности соединен через первый элемент обратной связи со вторым входом третьего АФНЧ и через первую снабберную цепочку с общей шиной. Первая группа выходов формирователя импульсных последовательностей соединена с группой входов второго сумматора. Выход второго сумматора соединен с последовательно соединенными вторым и четвертым АФНЧ. Выход четвертого фильтра нижних частот соединен с входом второго усилителя мощности, первым входом второго повторителя напряжения и через второй элемент частотной коррекции со вторым входом четвертого АФНЧ. Выход второго усилителя мощности соединен через второй элемент обратной связи со вторым входом четвертого фильтра 9 нижних частот и через вторую снабберную цепочку с общей шиной. Выход первого повторителя напряжения соединен с входом третьего усилителя мощности, выход которого через третий элемент обратной связи соединен со вторым входом первого повторителя напряжения и через третий элемент частотной коррекции с выходом первого повторителя напряжения. Выход третьего усилителя мощности соединен через третью снабберную цепочку с общей шиной. Выход второго повторителя напряжения соединен с входом четвертого усилителя мощности, выход которого через четвертый элемент обратной связи соединен со вторым входом второго повторителя напряжения и через четвертый элемент частотной коррекции с выходом второго повторителя напряжения. Выход четвертого усилителя мощности соединен через четвертую снабберную цепочку с общей шиной.

Группа входов питания каждого сумматора, АФНЧ, усилителя мощности, повторителя напряжения соединена с соответствующей группой выходов блока ограничителей тока, входы которого являются входами питания генератора двухфазных гармонических сигналов. Выход каждого усилителя мощности является соответствующим выходом генератора двухфазных гармонических сигналов. Все три логических узла генератора двухфазных гармонических сигналов (триггер, инвертор и формирователь импульсных последовательностей) могут быть реализованы на цифровом базовом матричном кристалле (БМК).

Недостатками известного двухфазного генератора гармонических сигналов являются:

- недостаточная симметричность полуволн выходных сигналов генератора;

- недостаточная помехозащищенность генератора.

Асимметрия полуволн выходных сигналов обусловлена возникновением постоянной составляющей на выходах фильтров АФНЧ1 и изменением ее значения в процессе работы генератора и при воздействиях внешних факторов.

На практике возникает необходимость конструктивно реализовывать генератор двухфазных гармонических сигналов (ГДГС) в двухмодульном исполнении, отделяя цифровую часть от аналоговой. Эти модули соединяются между собой линиями связи, по которым сигналы SIN1, SIN2. SIN3, SIN4, COS1, COS2, COS3, COS4 передаются из-цифровой части в аналоговую. Поскольку сигналы SIN1, SIN2, SIN3, SIN4, COS1, COS2, COS3, COS4 формируются микросхемой БМК, они являются слаботочными с амплитудой менее 3 В и при передаче по линиям связи могут значительно искажаться и подвергаться воздействию помех, что ухудшает качество сигналов на выходах сумматоров.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании более помехозащищенного ГДГС с повышенным качеством выходных сигналов.

Технические результаты, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в повышении качества выходных сигналов, помехозащищенности и надежности.

Данные технические результаты достигаются тем, что в генераторе двухфазных гармонических сигналов, содержащем триггер, первый и второй управляющие входы которого являются соответственно первым и вторым входами генератора двухфазных гармонических сигналов, а первый, второй, третий и четвертый выходы 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 которого соединен с первым входом триггера, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами формирователя импульсных последовательностей, выход каждого сумматора соединен с входом соответствующего первого активного фильтра нижних частот, выход каждого второго активного фильтра нижних частот соединен с первым выводом соответствующего первого элемента частотной коррекции и с первыми входами соответствующих повторителя напряжения и первого усилителя мощности, выход которого через соответствующий первый элемент обратной связи соединен с первым входом соответствующего второго активного фильтра нижних частот и вторым выводом соответствующего первого элемента частотной коррекции, каждый выход каждого повторителя напряжения соединен с первым выводом соответствующего второго элемента частотной коррекции и входом соответствующего второго усилителя мощности, выход которого соединен через соответствующий второй элемент обратной связи с соответствующим вторым входом соответствующего повторителя напряжения и вторым выводом соответствующего второго элемента частотной коррекции, при этом группа входов питания каждого сумматора, активного фильтра нижних частот, усилителя мощности, повторителя напряжения соединена с соответствующей группой выходов блока ограничителей тока, входы которого являются входами питания генератора двухфазных гармонических сигналов, а выход каждого усилителя мощности соединен через соответствующую снабберную цепочку с общей шиной и является соответствующим выходом генератора двухфазных гармонических сигналов, новым является то, что дополнительно введены RC-цепочки и шинный формирователь, каждая группа входов которого соединена с соответствующей группой выходов формирователя импульсных последовательностей, а каждая группа выходов соединена с группой входов соответствующего сумматора, при этом выход каждого первого активного фильтра нижних частот через соответствующую RC-цепочку соединен со вторым входом соответствующего второго активного фильтра нижних частот.

Повышение качества выходных сигналов достигается подключением к выходам каждого первого активного фильтра нижних частот соответствующей RC-цепочки, обеспечивающей подавление постоянной составляющей сигналов на входах каждого второго активного фильтра нижних частот, в результате чего повышается симметрия (относительно нулевого значения) синусоидальной формы выходных сигналов.

Повышение помехозащищенности ГДГС достигается применением шинного формирователя, усиливающего сигналы SIN1, SIN2, SFN3, SIN4, COS1, COS2, COS3, COS4, передаваемые по линиям связи в последующие узлы. Одновременно шинный формирователь обеспечивает защиту выходов формирователя последовательностей импульсов от статического напряжения, что повышает надежность ГДГС.

На фиг. 1 представлена функциональная схема реализации двухканального варианта генератора двухфазных гармонических сигналов. На фиг. 2 представлены диаграммы импульсных последовательностей, формируемых формирователем импульсных последовательностей, на фиг. 3 - диаграммы квазигармонических сигналов QSIN1, QCOS1, на фиг. 4 -диаграммы квазигармонических сигналов QSIN2 и QCOS2, на фиг. 5 -диаграммы выходных гармонических сигналов Sin, Cos двухканального варианта генератора, на фиг. 6 - функциональная схема реализации трехканального варианта генератора двухфазных гармонических сигналов.

Генератор двухфазных гармонических сигналов (фиг. 1) содержит триггер 1, инвертор 2, формирователь 3 импульсных последовательностей, сумматоры 4₁ и 4₂, первые активные фильтры нижних частот второго порядка 5₁ и 5₂, вторые активные фильтры нижних частот второго порядка 6₁ и 6₂ (далее по тексту - фильтр нижних частот), первые элементы частотной коррекции 7₁ и 7₂, повторители напряжения 8₁ и 8₂, первые усилители мощности 9₁ и 9₂, первые элементы отрицательной обратной связи 10₁ и 10₂, вторые элементы частотной коррекции 11₁ и 11₂, вторые усилители мощности 12₁ и 12₂, вторые элементы отрицательной обратной связи 13₁ и 13₂, блок 14 ограничителей тока, снабберные цепочки 15₁, 15₂, 15₃, 15₄, шинный формирователь 16, RC-цепочки 17₁ и 17₂.

Первый и второй управляющие входы триггера 1 являются соответственно первым (RHSET) и вторым (CLK) входами генератора двухфазных 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. Выход каждого сумматора 4₁ (4₂) соединен с входом соответствующего первого фильтра нижних частот 5₁ (5₂). Выход каждого второго фильтра нижних частот 6₁ (6₂) соединен с первым выводом соответствующего первого элемента частотной коррекции 7₁ (7₂) и с первыми входами соответствующих повторителя напряжения 8₁ (8₂) и первого усилителя мощности 9₁ (9₂).

Выход первого усилителя мощности 9₁ (9₂) через соответствующий первый элемент обратной связи 10₁ (10₂) соединен с первым входом соответствующего второго фильтра нижних частот 6₁ (6₂) и вторым выводом соответствующего первого элемента частотной коррекции 7₁ (7₂). Каждый выход каждого повторителя напряжения 8₁ (8₂) соединен с первым выводом соответствующего второго элемента частотной коррекции 11₁ (11₂) и входом соответствующего второго усилителя мощности 12₁ (12₂). Выход второго усилителя мощности 12₁ (12₂) соединен через соответствующий второй элемент обратной связи 13₁ (13₂) с соответствующим вторым входом соответствующего повторителя напряжения 8₁ (8₂) и вторым выводом соответствующего второго элемента частотной коррекции 11₁ (11₂).

Группа входов питания каждого сумматора 4₁ (4₂), фильтра нижних частот 5₁ (5₂,6₁,6₂), усилителя мощности 9₁ (9₂,12₁,12₂), повторителя напряжения 8₁ (8₂) соединена с соответствующей группой выходов блока 14 ограничителей тока. Входы блока 14 ограничителей тока являются входами питания генератора двухфазных гармонических сигналов, а выход каждого усилителя мощности 9₁ (9₂,12₁,12₂) соединен через соответствующую снабберную цепочку 15₁ (15₂,15₃,15₄) с общей шиной и является соответствующим выходом SINA (COSA, SINB, COSB) генератора двухфазных гармонических сигналов. Каждая группа входов шинного формирователя 16 соединена с соответствующей группой выходов формирователя 3 импульсных последовательностей, а каждая группа выходов соединена с группой входов соответствующего сумматора 4₁ (4₂), при этом выход каждого первого фильтра нижних частот 5₁ (5₂) через соответствующую RC-цепочку 17₁ (17₂) соединен со вторым входом соответствующего активного фильтра нижних частот 6₁ (6₂).

Все три логических узла генератора двухфазных гармонических сигналов (триггер 1, инвертор 2 и формирователь 3 импульсных последовательностей) могут быть реализованы на цифровом базовом матричном кристалле (БМК).

Шинный формирователь 16 может быть реализован на микросхеме быстродействующего 8-канального формирователя с тремя состояниями на выходе.

Сумматоры 4₁ и 4₂ выполняют на сдвоенном операционном усилителе (ОУ). К неинвертирующим входам операционных усилителей сумматоров 4₁ и 4₂ подключают соответственно сигналы SINL SIN2 и COS1, COS2 через суммирующие резисторы, а к инвертирующим входам - сигналы SIN3, SIN4 и COS3, COS4 также через суммирующие резисторы (на фиг. 1 не показано).

Пары активных фильтров нижних частот 5₁,5₂, и 6₁,6₂ на неинвертирующем частотно-зависимом отрицательном сопротивлении выполняют на сдвоенных операционных усилителях соответственно.

Каждая из RC-цепочек 18₁ и 18₂ выполняется в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной.

Все резисторы и конденсаторы, применяемые в узлах сумматоров 4₁,4₂ и фильтрах нижних частот 5₁,5₂ и 6₁,6₂ должны быть прецизионными и с малыми значениями температурного коэффициента сопротивления и температурного коэффициента емкости соответственно. -

Повторители 8₁ и 8₂ напряжения выполняют на сдвоенном операционном усилителе.

Элементы 10₁, 10₂, 13₁, 13₂ отрицательной обратной связи выполняют на резисторах. Элементы 10₁, 10₂, 13₁, 13₂ отрицательной обратной связи обеспечивают высокую стабильность амплитуды выходных сигналов SinA, CosA, SinB и CosB, нагружаемых индуктивностями с динамически меняющимися полными их сопротивлениями.

Усилители 9₁, 9₂, 12₁, 12₂ мощности выполняют на комплементарных парах транзисторов.

Блок 14 ограничителей тока может быть выполнен на токоограничительных резисторах, которые включены в цепи электропитания всех операционных усилителей и в коллекторные цепи всех транзисторов. Блок 14 ограничителей тока ограничивает токи, протекающие в сумматорах 4₁, 4₂, фильтрах нижних частот 5₁, 5₂, 6₁, 6₂ усилителях мощности 9₁, 9₂, 12₁, 12₂ во время воздействия ВВФ. предотвращая их пробой.

Элементы частотной коррекции мощности 7₁, 7₂, 11₁, 11₂ выполняют на конденсаторах малой емкости.

Каждая снабберная цепочка 15₁ (15₂, 15₃, 15₄) может быть выполнена в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора. Снабберные цепочки 15_1, 15₂, 15₃, 15₄ (в совокупности с элементами частотной коррекции 7₁, 7₂, 11₁, 11₂) предотвращают самовозбуждение выходов генератора двухфазных гармонических сигналов при подключении высокоемкостного вида нагрузки.

Генератор двухфазных гармонических сигналов работает следующим образом.

После включения внешнего электропитания генератора двухфазных гармонических сигналов на его первый вход подается внешний одиночный прямоугольный импульсный сигнал RESET, 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 генератора двухфазных гармонических сигналов подаются внешние тактирующие прямоугольные импульсы CLK с частотой следования F_IN. После окончания действия сигнала RESET триггер 1 переходит в рабочий режим и на каждом его выходе под действием тактирующих импульсов CLK формируются импульсы с частотой следования F_IN/8. При этом на каждом выходе триггера 1 формируется импульс, сдвинутый по фазе относительно импульса предшествующего выхода триггера 1 на 1/8 своего периода.

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 F_IN/8, диаграммы которых представлены на фиг. 2.

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 SIN1, SIN2, SIN3, SIN4 с первой группы выходов формирователя 3 импульсных последовательностей поступают через шинный формирователь 16, который увеличивает их амплитуды и нагрузочную способность, на входы сумматора 4₁ а сигналы COS1, COS2, COS3, COS4 со второй группы выходов - на входы сумматора 4₂. На выходах сумматоров 4₁, 4₂ 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. 3.

Квазигармонические сигналы QSIN1, QCOS1 поступают на входы фильтров нижних частот 5₁ и 5₂ соответственно. На выходах фильтров 5₁, 5₂ 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. 4.

Квазигармонические сигналы QSIN2 и QCOS2, проходя через RC-цепочки 18₁, 18₂ и «освобождаясь» при этом от постоянных составляющих, поступают на входы фильтров нижних частот 6₁ и 6₂ соответственно. На выходах фильтров 6₁, 6₂ нижних частот формируются идентичные гармонические сигналы SIN и COS, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90°.

Сформированные гармонические сигналы SIN и COS поступают соответственно на входы повторителей напряжения 8₁ и 8₂, а также на входы усилителей мощности 9₁ и 9₂ и на элементы частотной коррекции 7₁ и 7₂. С выходов повторителей напряжения 8₁ и 8₂ сигналы SINB и COSB поступают соответственно на входы усилителей мощности 12₁ и 12₂ на элементы частотной коррекции 11₁ и 11₂. На выходах усилителей мощности 9₁, 9₂, 12₁, 12₂ создаются соответственно пары гармонических сигналов (см. фиг. 5) Sin и Cos частотой FIN/8, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90° и усиленные до требуемых нагрузкой уровней амплитуды токов.

С выходов усилителей мощности 9₁, 9₂, 12₁, 12₂ сигналы SinA, CosA, SinB и CosB поступают соответственно на снабберные цепочки 15₁, 15₂, 15₃, 15₄ и через элементы отрицательной обратной связи 10₁, 10₂, 13₁, 13₂ на входы фильтров нижних частот 6₁ и 6₂, повторителей напряжения 8₁ и 8₂.

Количество каналов (пар синусных и косинусных сигналов) генератора двухфазных гармонических сигналов можно наращивать путем простого добавления следующих узлов на каждый дополнительный канал: дополнительные повторители напряжения 13₁ и 13₂. дополнительные усилители мощности 12₁ и 12₂, дополнительные элементы частотной коррекции 11₁ и 11₂, дополнительные снабберные цепочки 15₃ и 15₄, дополнительные элементы отрицательной обратной связи 13₁ и 13₂. Дополнительные повторители напряжения и усилители мощности подключают к соответствующим выходам блока 14 ограничителей тока. На фиг. 6 приведен пример реализации трехканального генератора двухфазных гармонических сигналов. Трехканальный генератор гармонических сигналов работает аналогично двухканальному.

Количество дополнительных каналов генератора двухфазных гармонических сигналов ограничивается только нагрузочными способностями операционных усилителей активных фильтров нижних частот 6₁ и 6₂.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности, может использоваться для формирования гармонических сигналов возбуждения (ГДГС) синусных и косинусных обмоток вращающихся трансформаторов. Технический результат заключается в повышении помехозащищенности генератора, а также в повышении надежности генератора за счет защиты от статического электричества. Генератор двухфазных гармонических сигналов обеспечивает повышенную степень симметричности полуволн выходных сигналов подключением к выходам каждого первого активного фильтра нижних частот соответствующей RC-цепочки, обеспечивающей подавление постоянной составляющей сигналов на входах каждого второго активного фильтра нижних частот, что обеспечивает повышение помехозащищенности генератора. Применение шинного формирователя обеспечивает повышение помехозащищенности за счет усиления сигналов SIN и COS при передаче по линиям связи и одновременно обеспечивает защиту выходов формирователя импульсных последовательностей от статического напряжения, что повышает надежность ГДГС. 6 ил.

Генератор двухфазных гармонических сигналов, содержащий триггер, первый и второй управляющие входы которого являются соответственно первым и вторым входами генератора двухфазных гармонических сигналов, а первый, второй, третий и четвертый выходы 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 которого соединен с первым входом триггера, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами формирователя импульсных последовательностей, выход каждого сумматора соединен с входом соответствующего первого активного фильтра нижних частот, выход каждого второго активного фильтра нижних частот соединен с первым выводом соответствующего первого элемента частотной коррекции и с первыми входами соответствующих повторителя напряжения и первого усилителя мощности, выход которого через соответствующий первый элемент обратной связи соединен с первым входом соответствующего второго активного фильтра нижних частот и вторым выводом соответствующего первого элемента частотной коррекции, каждый выход каждого повторителя напряжения соединен с первым выводом соответствующего второго элемента частотной коррекции и входом соответствующего второго усилителя мощности, выход которого соединен через соответствующий второй элемент обратной связи с соответствующим вторым входом соответствующего повторителя напряжения и вторым выводом соответствующего второго элемента частотной коррекции, при этом группа входов питания каждого сумматора, активного фильтра нижних частот, усилителя мощности, повторителя напряжения соединена с соответствующей группой выходов блока ограничителей тока, входы которого являются входами питания генератора двухфазных гармонических сигналов, а выход каждого усилителя мощности соединен через соответствующую снабберную цепочку с общей шиной и является соответствующим выходом генератора двухфазных гармонических сигналов, отличающийся тем, что дополнительно введены RC-цепочки и шинный формирователь, каждая группа входов которого соединена с соответствующей группой выходов формирователя импульсных последовательностей, а каждая группа выходов соединена с группой входов соответствующего сумматора, при этом выход каждого первого активного фильтра нижних частот через соответствующую RC-цепочку соединен со вторым входом соответствующего второго активного фильтра нижних частот.