ГЕНЕРАТОР ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2022 года по МПК H03K3/84 

Изобретение относится к области электронной импульсной и цифровой техники, и предназначено для многоканального генерирования двухполярных и/или однополярных импульсов с высокими значениями токов.

Известен генератор последовательностей импульсов (патент RU №22766433 приоритет от 02.07.2021 г. «Генератор последовательностей импульсов», авторы: Фатин В.Н., Арбузов В.Н., Бабнев С.Е., Буров А.С., Кирсанов К.С., Шилов А.В., МПК Н03К 3/84, опубликовано 15.03.2022 г. Бюл. №8) содержащий делитель частоты, генератор адресов выборок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферный регистр, первый, второй и третий формирователи выходных импульсов, внешний источник опорных напряжений, первый, второй и третий датчики тока, источник опорного напряжения, выпрямитель-сумматор, фильтр помех, пороговое устройство, формирователь запрета работы формирующих элементов.

Недостатком известного устройства является отсутствие в нем защиты от перенапряжения на питающем входе генератора последовательностей импульсов (ГПИ), который является выходом внешнего источника электропитания (ВИЭП), или шиной питания, возникающего при подключении к ГПИ в качестве нагрузки электромеханического привода (например, вентильного двигателя), который' в режимах работы «Торможение» и «Реверс» является генератором напряжения, которое, возрастая, может превысить предельно-допустимое значение выходного напряжения ВИЭП и через формирующие элементы ГПИ поступить в источник питания всей системы, что может привести к выходу из строя ВИЭП, ГПИ и/или внешних устройств, подключенных к шине питания.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании генератора последовательностей импульсов со следующими характеристиками:

- сохраняющего работоспособность с заданными электрическими характеристиками в условиях воздействия внешних воздействующих факторов (ВВФ) с высокими значениями характеристик воздействия и обладающего защитой от сквозных токов во время воздействия ВВФ;

- обеспечивающего защиту от перенапряжения на шине питания. Техническими результатами, на достижение которых направлено

изобретение, являются: повышение надежности, расширение функциональных возможностей.

Данные технические результаты достигаются тем, что в генераторе последовательностей импульсов, содержащем делитель частоты, вход которого является входом генератора последовательностей импульсов, а выход соединен с последовательно соединенными генератором адресов выборок, постоянным запоминающим устройством и буферным регистром, каждые первый и второй выход которого соединены соответственно с первым и вторым входами соответствующего формирователя выходных сигналов, при этом каждый формирователь выходных сигналов содержит блок ограничителей тока и первый и второй формирующие элементы, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами формирователя выходных сигналов, вторые входы первого и второго формирующих элементов соединены соответственно с первым и вторым входами блока ограничителей тока и являются первым и вторым входами питания формирователя выходных сигналов соответственно, входы питания каждого формирующего элемента соединены с соответствующими выходами блока ограничителей тока, а выходы каждых первого и второго формирующих элементов объединены и являются выходом соответствующего формирователя выходных сигналов, при этом первые и вторые входы питания формирователей выходных сигналов являются соответственно первым и вторым входами питания генератора последовательностей импульсов, а выход каждого формирователя выходных сигналов соединен с входом соответствующего датчика тока и является соответствующим выходом генератора последовательностей импульсов, выход каждого датчика тока соединен с соответствующим входом выпрямителя-сумматора, выход которого соединен с последовательно соединенными фильтром помех, пороговым устройством и формирователем запрета работы формирующих элементов, выход последнего из которых соединен с третьими входами каждого формирующего элемента, а второй вход порогового устройства соединен с выходом первого источника опорного напряжения, новым является то, что дополнительно введены ограничитель напряжения, тормозной резистор, и последовательно соединенные второй источник опорного напряжения, компаратор, буфер тока и ключ, второй вход которого соединен с первым выводом тормозного резистора, второй вывод которого соединен со вторым входом компаратора, входом ограничителя напряжения и первым входом питания генератора последовательностей импульсов.

Введение второго источника опорного напряжения, компаратора, буфера тока, ключа, тормозного резистора и ограничителя напряжения обеспечивает защиту от перенапряжения на шине питания, что повышает надежность. Также обеспечение защиты от перенапряжения повышает надежность внешнего источника питания и других внешних устройств, подключенных к шине питания.

Введение защиты от перенапряжения на шине питания обеспечивает возможность подключения в качестве нагрузки ГПИ вентильного двигателя, работающего в различных режимах, что расширяет функциональные возможности генератора последовательностей импульсов.

Сохранение работоспособности с заданными электрическими характеристиками в условиях воздействия ВВФ достигается благодаря выработанным схемотехническим решениям, в которых применяются только стойкие к ВВФ электрорадиоизделия.

На фиг.1 представлена функциональная схема генератора последовательностей импульсов.

Генератор последовательностей импульсов (фиг.1) содержит делитель 1 частоты, генератор 2 адресов выборок, ПЗУ 3, буферный регистр 4, первый 5, второй 6 и третий 7 формирователи выходных импульсов, внешний источник 8 опорных напряжений, первый 18, второй 19 и третий 20 датчики тока, первый источник 21 опорного напряжения, выпрямитель-сумматор 22, фильтр 23 помех, пороговое устройство 24, формирователь 25 запрета работы формирующих элементов, второй источник 26 опорного напряжения, компаратор 27, буфер 28 тока, тормозной 29 резистор, ключ 30, ограничитель 31 напряжения.

Вход делителя 1 частоты является, входом генератора последовательностей импульсов, а выход соединен с последовательно соединенными генератором адресов выборок, постоянно запоминающим устройством и буферным регистром (группа выходов генератора 2 адресов выборок соединена с группой адресных входов (A1-Aj) ПЗУ 3, группа выходов ПЗУ 3 соединена с группой входов (D1-D6) буферного регистра 4).

Каждые первый и второй выходы буферного регистра 4 соединены соответственно с первым и вторым входами соответствующего формирователя выходных импульсов 5 (6, 7). Каждый формирователь выходных импульсов 5 (6, 7) содержит первый 9(11, 13) и второй 10 (12, 14) формирующие элементы, блок 15(16, 17) ограничителей тока. Первые входы Ш первого 9(11, 13) и второго 10 (12, 14) формирующих элементов являются соответственно первым и вторым входами формирователя выходных сигналов 5(6, 7). Вторые входы первого 9(11, 13) и второго 10(12, 14) формирующих элементов соединены соответственно с первым и вторым входами блока 15 (16, 17) ограничителей тока и являются первым и вторым входами питания формирователя 5 (6, 7) выходных сигналов соответственно.

Входы питания каждого формирующего элемента 9,10(11,12) (13,14) соединены соответствующими выходами блока 15(16, 17) ограничителей тока. Выходы первого 9(11, 13) и второго 10(12, 14) формирующих элементов объединены и являются выходом соответствующего формирователя 5 (6, 7) выходных сигналов.

Первые и вторые входы питания формирователей 5 (6, 7) выходных сигналов являются соответственно первым U₁ и вторым U₂ входами питания ГПИ. Выход каждого формирователя 5 (6, 7) выходных импульсов соединен с входом соответствующего датчика тока 18 (19, 20) и является соответствующим выходом Uout1 (Uout2, Uout3) ГПИ. Выход каждого датчика тока 18 (19, 20) соединен с соответствующим входом выпрямителя-сумматора 22, выход которого соединен с последовательно соединенными фильтром помех 23, пороговым устройством 24 и формирователем 25 запрета работы формирующих элементов. Выход формирователя 25 запрета работы формирующих элементов соединен с третьими входами каждого формирующего элемента 9,10,11,12,13,14, а второй вход порогового устройства 24 соединен с выходом первого источника 21 опорного напряжения.

Второй источник 26 опорного напряжения, компаратор 27, буфер тока 28 и ключ 30 последовательно соединены. Второй вход ключа 30 соединен с первым выводом тормозного резистора 29, второй вывод которого соединен со вторым входом компаратора 27, входом ограничителя напряжения 31 и первым входом питания U₁ ГПИ.

Делитель 1 частоты может быть реализован на D-триггере (или на нескольких D-триггерах, или на базовом матричном кристалле (БМК) в зависимости от значения коэффициента деления «X») и обеспечивает деление частоты входных тактовых импульсов, поступающих от внешнего устройства (на фиг.1 не показано), в требуемое число раз в зависимости от заданных значений параметров выходных импульсных сигналов. Если делить частоту входных тактовых импульсов не требуется, то данный узел исключается из состава генератора.

Генератор 2 адресов выборок может быть реализован на счетчике (или на нескольких счетчиках, или: на БМК в зависимости от требуемой разрядности генератора 2 адресов выборок) и предназначен для генерирования адреса выборок для ПЗУ 3. Разрядность «j» выходов генератора 2 адресов выборок зависит от конкретных требований к параметрам выходных импульсных сигналов.

ПЗУ 3 может быть реализовано на цифровом БМК и предназначено для формирования на своих выходах 6-разрядных кодов управления формирующими элементами 9, 10, 11, 12, 13, 14.

Делитель 1 частоты, генератор 2 адресов выборок и ПЗУ 3 могут быть реализованы на одном цифровом БМК.

Буферный регистр 4 предназначен для развязки сигналов между ПЗУ 3 и формирующими элементами 9, 10, 11, 12, 13, 14, и может быть реализован на шестиразрядном D-триггере или на многоканальном шинном формирователе.

Формирующие элементы 9, 10, 11, 12, 13, 14 могут быть реализованы на аналоговых ключах. Выходной 6-разрядный код буферного регистра 4 управляет работой формирующих элементов 9, 10, 11, 12, 13, 14 в составах формирователей импульсов 5, 6, 7, которые выдают выходные импульсные сигналы Uout1, Uout2 и Uout3 первого, второго и третьего каналов генерирования соответственно.

Первый формирующий элемент 9(11,13) формирует сигналы положительной полярности (положительный формирующий элемент), а второй формирующий элемент 10 (12 14) формирует сигналы отрицательной полярности (отрицательный формирующий элемент). Если канал предназначен для генерирования однополярных импульсных сигналов, его формирователь выходных импульсов содержит положительные первый и второй формирующие элементы или отрицательные первый и второй формирующие элементы в зависимости от требуемой полярности. При этом мощность однополярного варианта реализации формирователя выходных импульсов увеличивается вдвое по сравнению с двухполярным вариантом реализации формирователя выходных импульсов.

От внешнего источника 8 опорных напряжений на входы формирующих элементов 9, 11, 13 подается опорное положительное напряжение U1, а на входы формирующих элементов 10, 12, 14- опорное отрицательное напряжение U2. В зависимости от требуемой мощности выходных импульсов конкретного канала, каждый формирователь выходных импульсов 5 (6,7) содержит один или несколько первых формирующих элементов, включенных параллельно, один или нескольких вторых формирующих элементов, включенных параллельно, а также один или несколько блоков ограничителей тока.

Блоки ограничителей тока 15. 16, 17 могут быть выполнены на резисторах или индуктивностях (в зависимости от вида нагрузки), которые включают в цепи электропитания всех формирующих элементов. Блоки ограничителей тока 15, 16, 17 предотвращают пробой формирующих элементов 9, 10, 11, 12, 13, 14, ограничивая резкое возрастание амплитуды протекающих в них токов во время воздействия ВВФ.

Датчики тока 18, 19, 20 могут быть выполнены в виде трансформаторов на тороидальных пермаллоевых сердечниках с высокой магнитной проницаемостью (с целью существенного уменьшения массогабаритных характеристик датчиков). Первую обмотку на сердечнике трансформатора образует виток провода, идущего с выхода формирователя выходных импульсов, по которому протекает выходной импульсный сигнал Uout. Вторая обмотка трансформатора нагружается резистором; является выходом датчика тока и подключается к соответствующему входу выпрямителя-сумматора.

Выпрямитель-сумматор 22 может быть выполнен на трех диодных мостах, входы которых подключаются к датчикам тока, а выходы соединены вместе.

Фильтр 23 помех представляет собой RC-цепочку для фильтрации импульсных помех, возникающих при работе формирующих элементов 9, 10, 11, 12, 13, 14, предотвращая ложное срабатывание защитного блока.

Первый источник 21 опорного напряжения может быть реализован различными схемотехническими решениями и должен обеспечивать высокостабильный уровень выходного напряжения.

Пороговое устройство 24 представляет собой компаратор напряжения» который сравнивает входной сигнал, поступающий от фильтра 23 помех, с опорным напряжением источника 21.

Формирователь 25 запрета представляет собой одновибратор, который формирует сигнал запрета работы формирующих элементов 9, 10, 11, 12, 13, 14.

Первый источник 21 опорного напряжения, пороговое устройство 24 и формирователь запрета 25 могут быть реализованы на одной микросхеме ШИМ-контроллера.

Второй источник 26 опорного напряжения может быть реализован на базе стабилитрона.

Компаратор 27 предназначен для сравнения опорного напряжения с напряжением на шине питания и может быть реализован как дифференциальный каскад на транзисторах.

Буфер 28 тока предназначен для усиления сигнала с компаратора 27 для минимизирования потерь при переключении ключа 30 и может быть реализован на биполярных транзисторах как омиттерный повторитель с дополнительной цепью для ускорения закрытия ключа 30.

Ключ 30 предназначен для коммутации напряжения шины питания на тормозной 29 резистор и может быть реализован на мощном транзисторе.

Ограничитель 31 напряжения обеспечивает пассивную защиту формирующих элементов ГПИ от всплесков напряжений и может быть реализован на соответствующих полупроводниковых приборах.

Тормозной 29 резистор предназначен для рассеивания излишней энергии, возникающей на шине питания и может быть реализован на мощном проволочном резисторе.

Генератор последовательностей импульсов работает следующим образом.

После включения внешнего электропитания генератора последовательностей импульсов на вход генератора (вход делителя 1 частоты) поступают от внешнего устройства тактовые импульсы «CLK IN» с частотой следования Fin. Делитель 1 частоты делит частоту поступающих на его вход тактовых импульсов «CLK IN» на число «X». На выходе делителя 1 частоты формируются прямоугольные импульсы с частотой следования Fin/X, которые поступают на вход генератора 2 адресов выборок. Под действием входных импульсов, на выходе генератора 2 адресов формируются адресные коды с j-разрядностью, которые поступают на адресные входы A1-Aj ПЗУ 3 соответственно.

На группе выходов ПЗУ 3 с частотой обновления Fin/2X формируются шестиразрядные коды выборок, которые поступают на группу входов D1-D6 буферного регистра 4 соответственно. На выходе буферного регистра 4 формируются шестиразрядные управляющие коды, принимаемые от ПЗУ 3 и поступающие на входы IN формирующих элементов 9-14. На вторые входы (входы D) положительных формирующих элементов 9, 11, 13 поступает опорное положительное напряжение U1, а на вторые входы (входы D) отрицательных формирующих элементов 10, 12, 14 - опорное отрицательное напряжение U2. Под действием управляющих импульсов на первых входах (входах IN) формирующих элементов 9, 10, 11, 12, 13, 14, на выходах формирователей выходных импульсов 5, 6, 7 образуются выходные импульсные сигналы Uout1, Uout2 и Uout3. Блоки 15, 16, 17 ограничителей тока предотвращают пробой формирующих элементов, ограничивая протекающие в них токи во время воздействия ВВФ.

Выходные импульсные токи сигналов Uout, протекая в первых обмотках трансформаторов тока, индуцируют во вторых обмотках токи, пропорциональные сигналам Uout. Трансформаторы тока обеспечивают гальваническую развязку входов выпрямителя-сумматора от выходных импульсных сигналов Uout1, Uout2, Uout3 и преобразуют протекающий через них ток в напряжение, пропорциональное току. Выходы (вторые обмотки) трансформаторов нагружаются резисторами (на схеме не показаны) для предотвращения насыщения сердечников трансформаторов тока. Изменением номиналов нагрузочных резисторов трансформаторов тока изменяется порог срабатывания защитного блока.

Сигналы с выходов датчиков тока поступают на входы диодных мостов выпрямителя-сумматора. Сигналы на выходах датчиков тока могут быть двухполярными, а диодные мосты преобразуют двухполярные сигналы в однополярные, т.е. выделяют модули значений сигналов на своих входах. Объединенные выходы трех диодных мостов обеспечивают выделение максимального сигнала, поступающего с датчиков тока. Сигнал на выходе выпрямителя-сумматора меньше сигналов с датчиков тока на величину напряжения падения на двух диодах моста, причем это напряжение имеет отрицательную температурную зависимость, что обеспечивает «автоматическую» корректировку порога срабатывания защитного блока от изменения температуры, т.е. обеспечивает независимость работы защитного блока от изменения температуры.

Сигнал с выхода выпрямителя-сумматора, проходя через фильтр помех, очищается от наведенных помех и поступает на первый вход порогового устройства. Пороговое устройство сравнивает сигнал на первом своем входе с опорным напряжением на втором своем входе. При превышении входным сигналом порогового (опорного) значения напряжения, пороговое устройство «срабатывает» и выдает сигнал в формирователь запрета, который формирует сигнал, поступающий на третьи входы формирующих элементов, запрещая их работу, тем самым ограничивая выходные токи формирователей выходных импульсов. Это предотвращает выход из строя формирующих элементов генератора последовательностей импульсов.

При превышении напряжения питания выше значения «U_ПД» (предельно-допустимое) «срабатывает» компаратор, выдавая управляющий сигнал в буфер тока, который усиливает и передает управляющий сигнал на вход ключа, открывая его, в результате чего тормозной резистор, подключаясь к шине питания, шунтирует ее и снижает на ней напряжение до номинального значения. Затем компаратор переходит в исходное (сброшенное) состояние, снимая управляющий сигнал на своем выходе, ключ закрывается и тормозной резистор отключается от шины питания, прекращая ее шунтировать.

Изобретение относится к области электронной импульсной и цифровой техники и предназначено для многоканального генерирования двухполярных и/или однополярных импульсов с высокими значениями токов. Технический результат заключается в повышении надежности и расширении функциональных возможностей. Генератор последовательностей импульсов содержит делитель частоты, генератор адресов выборок, ПЗУ, буферный регистр, первый, второй и третий формирователи выходных импульсов, внешний источник опорных напряжений, первый, второй и третий датчики тока, первый источник опорного напряжения, выпрямитель-сумматор, фильтр помех, пороговое устройство, формирователь запрета работы формирующих элементов, второй источник опорного напряжения, компаратор, буфер тока, тормозной резистор, ключ, ограничитель напряжения. Каждый формирователь выходных импульсов содержит первый и второй формирующие элементы и блок ограничителей тока. 1 ил.

Генератор последовательностей импульсов, содержащий делитель частоты, вход которого является входом генератора последовательностей импульсов, а выход соединен с последовательно соединенными генератором адресов выборок, постоянным запоминающим устройством и буферным регистром, каждые первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами соответствующего формирователя выходных сигналов, при этом каждый формирователь выходных сигналов содержит блок ограничителей тока и первый и второй формирующие элементы, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами формирователя выходных сигналов, вторые входы первого и второго формирующих элементов соединены соответственно с первым и вторым входами блока ограничителей тока и являются первым и вторым входами питания формирователя выходных сигналов соответственно, входы питания каждого формирующего элемента соединены с соответствующими выходами блока ограничителей тока, а выходы каждых первого и второго формирующих элементов объединены и являются выходом соответствующего формирователя выходных сигналов, при этом первые и вторые входы питания формирователей выходных сигналов являются соответственно первым и вторым входами питания генератора последовательностей импульсов, а выход каждого формирователя выходных сигналов соединен с входом соответствующего датчика тока и является соответствующим выходом генератора последовательностей импульсов, выход каждого датчика тока соединен с соответствующим входом выпрямителя-сумматора, выход которого соединен с последовательно соединенными фильтром помех, пороговым устройством и формирователем запрета работы формирующих элементов, выход последнего из которых соединен с третьими входами каждого формирующего элемента, а второй вход порогового устройства соединен с выходом первого источника опорного напряжения, отличающийся тем, что дополнительно введены ограничитель напряжения, тормозной резистор и последовательно соединенные второй источник опорного напряжения, компаратор, буфер тока и ключ, второй вход которого соединен с первым выводом тормозного резистора, второй вывод которого соединен со вторым входом компаратора, входом ограничителя напряжения и первым входом питания генератора последовательностей импульсов.