Двухфазный генератор Советский патент 1980 года по МПК H03K13/02 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, преимущественно к области генерирования сигналов низкой и инфранизкой частоты, и может быть использовано в приборостроении при создании двухфазных генераторов напряжений в диапазоне низкиз и инфранизких частот. Известны различные схемы построения двухфазных генераторов, основанные на преобразовании частоты и выде лении биений, и содержащие фильтры усилители, задающий генератор, и обладающие недостаточной стабильностью выходной частоты l. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является двух фазный генератор 2, структурная схема которого содержит задающий генератор, фазовращатель, преобразователи частоты, вспомогательный генера тор, фильтры нижних частот и выходные усилители (фильтры нижних частот включены в состав преобразователей частоты). В известном двухфазном генераторю выходные напряжения задающего генератора и азовращателя пода тся соответственно на сигнальные входы преобразователей частоты. На управляющие входы этих преобразовате лей подается напряжение вспомогательного генератора, частоту которого можно перестраивать. Разностная частота (биения частот задающего и вспомогательного генераторов) на выходе преобразователей выделяется с помощью фильтров нижних частот и усиливается выходными усилителями. При идентичности каналов, каждый из которых содержит преобразователь частоты, фильтр нижних частот и выходной усилитель, сдвиг фаз между выходными напряжениями двухфазного генератора равен сдвигу .фаз между напряжениями, подаваемыми на сигнальные входы преобразователей частоты. Диапазон изменения частоты выходных напряжений двухфазного генератора на биениях будет таким же, как и диапазон изменения частоты сигнала перестраиваемого генератора. Основным недостатком такого двухфазного генератора на биениях является высокая нестабильность частоты выходных напряжений. Незначительные отклонения частот Генераторов от номинальных значений за счет дестабилизиру1лцих факторов приводят к значительным изменениям частоты выходных колебаний. Чем выше

частоты исходных колебаний задающего и вспомогательного генераторов и чем ниже частота выходных колебаний,тем больше относительная нестабильность последних.

Трудность обеспечения стабильности частоты выходных колебаний в основном и ограничивает применение двухфазных генераторов на биениях в диапазоне низких и инфранизких частот.

Другой недостаток двухфазного генератора на биениях заключается в невысокой стабильности амплитуды получаемых выходных напряжений, проявляющейся в основном вследствие низкой температурной и временной стабил ности применяемых в смесителях нелинейных элементов, атакже непостоянства амплитуд выходных напряжений задающего и вспомогательного генераторов .

Недостатком генератора на биениях следует также считать сравнительно .большое время установления параметров выходных колебаний (-амплитуды, фазы, частоты) при включении и перестройке частоты генератора. Причиной этого является постоянная времени фильтров нижних частот, применяемых на выходах смесителей, величина которой, обычно, значительно превосходит величину периода преобразуемого напряжения.

Целью изобретения является повыше ние стабильности частоты и амплитуды выходных напряжений .двухфазного генератора, а также сокращение времени и установления.

Поставленная цель достигается тем что в двухфазный генератор, содержащий задающий генератор, подключенный к фазовращателю, два преобразователя частоты, сигнальный вход одного из которых подключен к выходу задающего генератора, а другого - к выходу фазовращателя, два фильтра нижних частот, входы которых связаны с выходами преобразователей частоты, а выходы - со входами двух выходных усилителей, введены одновибратор и устройство запуска, включающее в себя четыI ре сравнивающих устройства, два резистора, четыре элемента НЕ, четыре дифференцирующие цепи, реле с четырьмя переключающими контактами, четыре элемента И и элемент ИЛИ, при зтом преобразователи частоты своими управляющими входами подключены к выходу одновибратора, вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ устройства запуска; первые входы первого и второго сравнивающих устройств связаны соответственно с сигнальными входами первого и второго преобразователей частоты, а их вторые входы - соответственно с выходами преобразователей частоты, выходы первого и второго преобразователей частоты соеди«ены соответственно с первым и вторым входами третьего сравнивающэго устройства и одними выводами резисторов другие выводы которых подключены к первому входу четвертого сравнивающего уст зойства, второй вход которого подключен к общей шине; выходы первого и второго сравнивающих устройств соединены соответственно через первую и третью дифференцирующие цепи с первым и третьим подвижными контактами и через последовательные соединения - первого элемента НЕ,, второй дифференцирующей цепи и второго элемента НЕ, четвертой дифференцирующей цепи - соответственно со вторым и четвертым подвижными контактами реле, обмотка которого включена между управляющим выходом фазовращателя и общей шиной; выход третьего сравнивающего устройства связан непосредственно со вторыми входами первого и третьего элементов И и через третий элемент НЕ - со вторыми входами второго и четвертого элементов И, выход четвертого сравнивающего устройства соединен непосредственно с третьими входами второго и третьего элемента И и через четвертый элемент НЕ - с третьими входами первого и четвертого элементов И; первые входы первого, второго, третьего, четвертого элементов И соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым нормально замкнутыми и вторнлм, первым, четвертым, третьим нормально разомкнутыми неподвижными контактами реле, а выходы каждого из элементов И подключены А) входам элемента ИЛИ.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого двухфазного генератора; на фиг.2 - одна из возможных схем аналогового запоминающего устройства, используемого в качестве преобразователя частоты; на фиг.З,- ,временные диаграммы, поясняющие принцип работы описываемого двухфазного генератора (представлен случай, когда вносимый фазовращателем фазовый сдвиг больше О и меньше 18.

Двухфазный генератор содержит задающий генератор 1, фазовращатель 2, два преобразователя частоты 3 и 4, два фильтра нижних частот 5 и б, два выходных усилителя 7 и 8, одновибратор 9, схему 10 запуска, включающую в себя четыре устройства сравнения 11,12,13 и 14, два резистора 15 и 16, четыре элемента НЕ 17, 18,19и 20, четыре дифференцирующие цепи 21,22, 23 и 24, реле 25 с четырьмя переключающими контактами, четыре элемента И 26,27„28 и 29 и элемент ИЛИ 30.

Выход задающего генератора 1 связан с сигнальным входом преобразователя частоты 3 и входом фазовращателя 2, выход которого подключен к сигнальному входу преобразователя частоты 4. Выходы обоих преобразователей

Частоты 3 и 4 соединены соответственно с фильтрами 5 и 6 нижних частот, которые в свою очередь своими выходами связаны со входами выходных усилителей 7 и 8. Управляющие входы обои преобразователей частоты 3 и 4 подключены к выходу одновибратора 9, вход которого связан с выходом элемента ИЛИ схемы 10 запуска. Первые входы сравнивающих устройств 11 и 12 связаны соответственно с сигнальными входами преобразователей частоты 3 и 4, а их вторые входы - соответственно с выходами указанных преобразователей частоты.

Кроме этого выходы преобразователей частоты 3 и 4 связаны соответственно с первым и вторым входами сравнивающего устройства 13 и левыми выводами резисторов 15 и 16,правые выводы которых подключены к первому входу сравнивающего устройства 14, второй вход которого подключен к общей шине. Выходы сравнивающих устройств 11 и 12 соединены соответственно через дифференцируюгцие цепи 21 и 23 с первым и третьим подвижными контактами, а также через последовательные соединения элемента НЕ 17, дифференцирующей цепи 22 и элемента НЕ 18, дифференцирующей цепи 24 соответст в енно со вторым и четвертым подвижными контактами реле 25,обмотк которого включена между управляющим выходом фазовращателя 2 и общей шиной. Выход сравнивающего устройства 13 связан непосредственно со вторыми входами элементов И 26, 28 и через элемент НЕ 19 - с вторыми входами элементов И 27,29. Выход сравнивающего устройства 14 соединен непосредственно с третьими входами элементов И 27,28, и через элемент НЕ 20 - с третьими входами элементов И 26,29. Первые входы элементов И 26,27,28,29 связаны соответственно с первым норМс1льно замкнутым и вторым нормально разомкнутым,со вторым нормально замкнутым и первым нормально раэомкнуТ1ЛМ, с третьим нормально замкнутым и четвертым нормально разомкнутым, с четвертым нормально замкнутым и третьим нормально разомкнутым неподвижными контактами реле 25, а выходы каждого из элементов И 26,27,28,29 подключены ко входам элемента ИЛИ 30.

Преобразователи частоты могут быть выполнены в виде аналогового запоминающего устройства {фиг.2), содержащего аналоговый ключ 31, выход которого соединен с входом буферного усилителя 32 и верхней обкладкой конденсатора 33,нижняя обкладка которого заземлена.

Сигнальным входом аналогового запоминающего устройства является левый электрод ключа 31, а его выходом - выход буферного усилителя 32

управляющим входом аналогового запоминающего устройства является управляющий вход ключа 31 (затвор полевого транзистора).

На временных диаграммах (Лиг.З) введены обозначения: U - напряжение на выходе задающего генератора 1; и - напряжение на выходе Фазовращателя 2; и,,и - соответственно напряжения на выходах аналоговых запоминающих устройств 3 и 4; и ,U.j2, ,

0 и. - соответственно напряжение на выходах сравнивающих устройств 11,12, 13,14; соответственно напряжения на выходах элементов И 26, 27,28,29; Ug - напряжение на выходе

5 одновибратора 9; t.- длительность импульса одновибратора. На диаграммах выходных напряжений сравнивающих устройств 11 и 12 жирными линиями вьаделены фронты, из которых формируются

0 импульсы запуска одновибратора. На диаграммах выходных напряжений элементов И 26,27,28 и 29 жирными линиями выделены запускающие импульсы, которые запускают одновибратор, а тонкими - запускающие импульсы, не

5 вызывающие запуска одновибратора. Состояние 1 обозначено положительным потенциалом,а О нулевым.

Двухфазный генератор работает следующим образом.

0

Генерируемое задающим генератором 1 напряжение U, частота которого, обычно, выбирается на несколько порядков выше желаемой частоты двухфазного генератора, подается одновре5менно на вход фазовращателя 2 и сигнальный вход первого преобразователя частоты 3. С помощью фазовращателя 2 фазу выходного напряжения можно сдвигать по отношению к входному на угол от О до 360 . Разницу фаз л Ц выходно0го и входного напряжений фазовращателя можно представить уравнением

лч--VM, ,

где Ц) , f соответственно начальные фазы выходного и входно5го напряжений фазовращателя.

При установке фазового сдвига в пределах реле 25 обесточено и его подвижные контакты замыкают0ся с соответствующими верхними неподвижными контактами, как показано на фиг.1. В случае установки фазового сдвига в пределах ° с управляющего выхода фазовращателя на

5 обмотку реле 25 подается питание и его подвижные контакты замыкаются с соответствующими нижними неподвижными контактами.

Выходное напряжение U,j фазоврсицателя подается на сигнальный вход вто0рого преобразователя частоты 4. На управляющие входы запоминающих устройств подаются короткие импульсы с выхода одновибратора 9, открывающие ключи обоих преобразователей часто5ты 3 и 4. Во время воздействия импульса одновибратора напряжение на конденсаторах преобразователей частоты следит за входным напряжением. С исчезновением импульса одновибратора оба преобразователя частоты переходят в режим хранения, и до прихода следующего импульса одновибратора на их выходах сохраняются уровни напряжений, соответствующие мгновенным значениям входных напряжений в момент окончания импульса одновибратора. Дпя запуска одновибратора используются запускающие импульсы, формируемые схемой 10 запуска из передних и задних фронтов выходных импульсов сравнивающих устройств 11 и 12, которые принимают состояние 1 в случае, когда напряжение на входах соответствующих преобразователей частоты 3 и 4 превышает напряжение на их выходах, т.е. когда первые входы сравнивающих устройств находятся под более высоким потенциалом, чем их вторые входы. Если же уровень напряжения на первом входе ниже уровня напряжения на втором вхо де , то соответствующее сравнивающее устройство находится в состоянии О Формирование запускающих импульсов из передних фронтов сравнивающих устройств 11 и 12 осуществляется соответственно дифференцирующими цепями 21 и 23, а из задних фронтов - соответственно последовательными соединениями элемента НЕ 17, дифференцирующей цепи 22 и элемента НЕ 18, дифференцирующей цепи 24. С выходов дифференцирующих цепей 21,22,23 и 24 запускающие импульсы подаются через соответствующие нормально зам кнутые верхние контакты реле в случае,, когда , соответственно на первые входы элементов И 26,27, 28,29 и в случае, когда через соответствующие нормально разомкнут зе нижние контакты реле, в случае, когда .360° соответственно на первые входы элементов И 27,26,29,28. Однако, на входы элемента ИЛИ 30 в каждый момент времени запускающие импульсы пропускаются только одним элементом И, - тем, второй и третий входы которого находятся под потенциалами 1, получаемыми с выходов сравнивающих устройств 13 и 14 н,епосредственно или через элементы НЕ 19 и 20. Сравнивающее устройство 13 находится в состоянии 1, когда выходное напряжение Do первого преобразователя частоты 3 больше выход ного напряжения U преобразователя частоты 4, и наоборот - в состоянии О, когда . Сравнивающее устройство 14 находится в состоянии 1 когда сумма Uj+U4 0 и наоборот - в состоянии О, когда сумма . Такая логика работы сравнивающих ус ройств 13 и 14 приводит к тому, что элементами И 26,27,28,29 вьвделяются запускающие импульсы от того сравнивающего устройства (fll или 12), кото-« рое в данный момент времени работает на более крутом участке напряжения задающего генератора. Это дает возможность повысить стабильность следования запускающих импульсов, поскольку уменьщается погрешность, вызываемая неопределенностью момента срабатывания сравнивающего устройства. В случае 0,аЧ 180°запускающие импульсы, сформированные из передних фронтов выходных импульсов сравнивающих устройств 11 и 12, выделяются соответственно элементом И 26 в промежутка времени, когда сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состоянии 1 и О и элементом И 28 в промежутки времени, когда оба срабатывающие устройства 13 и 14 находятся в сЬстояниях 1,а запускающие импульсы,сформированные из задних фронтов выходных импульсов сравнивающих устройств 11 и 12 выделяются соответственно элементом И 27 в промежутки времени, когда сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях О и 1, и элементом И 29 в промежутки време.чи, когда оба сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях О. В случае 180 запускающие импульсы, сформированные из передних фронтов выходных импульсов сравнивающих устройств 11 и 12, выделяются соответственно элементом И 21 в промежутки времени, когда сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях О и 1 и элементом И 29 в промежутки времени, когда оба сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях О, а запускающие импульсы, сформированные из задних фронтов выходных импульсов сравнивающих уст- . ройств 11 и 12, выделяются соответственно элементом И 26 в промежутки времени, когда сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях 1 и О и элементом И 28, кОгд5 оба сравнивающие устройства 13 и 14 В резульнаходятся в состоянии тате этого каждый из указанных элементов И пропускает пачку запускающих импульсов, соответствующую определенным участкам формируемых выходных напряжений. Так, на фиг.3,представляющей случай, когда , в промежутке времени, когда выходы обоих сравнивающих устройств 13 и 14 находятся в состоянии 1, пачку запускающих импульсов вьщает элемент И 28. В это время формируется вершина положительной полуволны напряжения Uj и восходящий участок напряжения {f, . Запускающие импульсы формируются от передних фронтов выходных импульсов сравнивающего устройства 12. В промежутке вермени,когда сравнивающие

устройства 13 и 14 находятся в состояниях соответственно. и 1,пачку запускающих импульсов выдает элемент И 27. В это время формируется нисходящий участок напряжения Uo и положительная вершина . Запускающие импульсы формируются от задних фронтов сравнивающего устройства 11. в промежутке времени, когда оба сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состоянии О, пачку запускающих импульсов выдает элемент И 29. В это время формируется отрицательная вершина напряжения Uj и нисходящий участок и, запускающие импульсы формируются от задних фронтов сравнивающего устройства 12. в промежутке времени, когда сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях соответственно 1 и О, пачку запускающих импульсов выдает элемент И 26. в это время Формируется восходящий участок Ug и отрицательная вершина U, запускающие импульсы формируются от передних фронтов сравнивающего устройства 11. Дальше сравнивающие устройства 13 и 14 переходят в состояния 1 и начинает формироваться следующий период выходных сигналов, - процесс повторяется.

В случае 180 йЧ Збо меняется последовательность работы элементов И, а принцип формирования выходных сигналов остается тем же,

В моменты времени,сразу же после смены состояния какого-либо из сравнивающих устройств 13 или 14, с выхода элемента И, который принял состояние 1 по второму и третьему входу, возможно прохождение одного паразитного запускающего импульса (на фиг.З такие импульсы показаны тонкими линиями), совпадающего во . времени с импульсом, выдаваемым одновибратором 9, вследствие его запуска последним запускающим импульсом из предьщущей пачки. Такой паразитный запускающий импульс не приводит к повторному запуску одновибратора, поскольку в последнем не закончены восстановительные процессы, т.е. периодичность следования импульсов оцновибратора не нарушается.

Период повторения импульсов на выходе одновибратора 9 равен сумме периода напряжения задающего генератора и длительности импульса одновибратора . .

Частоту выходных напряжений можно изменять, изменяя частоту задающего генератора или длительность импульса одновибратора.

Относительная нестабильность частоты - выходных напряжений описываемого двухфазного генератора определяется выражением

где и соответственно отно1 сительные нестабильности частоты задающего генератора и длительности импуль5са одновибратора.

Предлагаемый двухфазный генератор позволяет на несколько порядков повысить стабильность частоты генерируемых напряжений по сравнению с двухфазными генераторами, в которых используется независимый вспомогательный генератор.

Эта нестабильность не возрастает с увеличением отношения частот

р , что наблюдается в двухфазных генераторах с применением вспомогательного генератора. Последнее обстоятельство дает возможность в значительной степени расширить частотный диапазон генерируемых напряжений в сторону инфранизких частот.

Другим важным преимуществом описываемого двухфазного генератора по

5 сравнению с прототипом является более высокая стабильность амплитуды генерируемых напряжений, поскольку исключен из схемы вспомогательный генератор, нестабильность амплитуды

Q которого сказывается на нестабильности амплитуды выходного напряжения.

Кроме того, в предлагаемом двухфазном генераторе возможно применение более быстродействующих фильтров

C нижних частот или даже их исключение из схемы, обусловленное значительным подавлением паразитных комбинационных частот в самих преобразователях частоты - аналоговых запоминающих устройствах, что позволяет повысить

0 быстродействие генератора, т.е. сократить врюмя установления его выходных параметров при включении и перестройке частоты.

Формула изобретения

Двухфазный генератор, содержащий задаихций генератор, подключенный к фазовращателю, два преобразователя частоты, сигнальный вход одного из которых подключен к выходу задающего

генератора, а другого - к выходу фазовращателя, два фильтра нижних частот, входы которых связаны с выходами преобразователей частоты, а выход со входами двух выходных усилителей, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильноети частоты и амплитуды выходных напряжений, а также сокращения времени

Q их установления, в него введены одновибратор и устройство запуска, включающее в себя четыре сравнивающих устройства, два резистора, четыре элемента НЕ, четыре дифференцирующие цепи, реле с четырьмя переключающими

контактами, четыре элемента И и ИЛИ, при этом преобразователи частоты своими управляющими входами подключены к выходу одновибратора, вхол которого соединен с выходом элемента ИЛИ устройства, запуска, первые входы первого и второго сравнивающих устройств связаны соответственно с сигнальными входами первого и второго преобразователей частоты, а иХ вторые входы - соответственно с выходами -преобразователей частоты, выходы первого и второго преобразователей частоты соединены соответственно с первым и вторым входами третьего сравнивающего устройства и одними выводами резисторов, другие выводы которых подключены к первому входу четвертого сравнивающего устройства, второй вход которого подключен к общей шине, выходы первого и второго сравнивающих устройств соединены соответственно через первую и третью дифференцирующие цепи с первым и третьим подвижными контактами, и .через последовательные соединения первого элемента НЕ, второй- дифференцирующей цепи и второго элемента НЕ, четвертой дифференцирующей цепи - соответственно со вторым и четвертым подвижными контактами реле, обмотка которого включена между управляющим выходом фазовращателя и общей шиной,

выход третьего сравнивающего устройства связан непосредственно со вторыми входами первого и третьего элементов И и через третий элемент НЕ - со вторыми входами .второго и четвертого элементов И, выход четвертого сравнивающего устройства соединен непосредственно с третьими входами второго и третьего элемента И и через четвертый элемент НЕ - с третьими входами первого и четвертого элементов И, первые входы первого,второго, третьего, четвертого элементов И соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым нормально замкнутыми и вторым, первым, четвертым, третьим нормально разомкнутыми неподвижными контактами реле, а выходы каждого из элементов И подключены ко входам элемента ИЛИ.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Вавилов А.А. и Солодовников А.И Экспериментальное определение частотных характеристик автоматизированных систем, Госэнергоиздат, М., 1963,

с.184-222.

2.Колтик Е.Д. Измерительные двухфазные генераторы переменного . Изд.Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при СМ СССР, М., 1968, с.7-15.

выход /

Ы упр.

л

Dа

л.

л

л.

jDа

i/Z.J