Устройство для генерирования многофазного напряжения Советский патент 1982 года по МПК H03B27/00 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ МНОГОФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике, преимущественно к генерированию многофазных напряжений, и может быть использовано в приборостроении при создании многофазных генераторов в диапазоне низких и инфранизких частот.

Известен генератор многофазного напряжения, основанный на использовании однофазных источников с расщеплени- |Q ем фазы. Дополнительно фазовые сдвиги получают после суммирования а определенных масштабах напряжений, полученных в результате расщепления

фазы tl 1-15

Недостатком известного генератора является ограниченное число сдвинутых сигналов, а также трудность обеспечения стабильности амплитуды и фазы в широком частотном диапазоне. 20

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для генерирования многофазного напряжения, содержащее

задающий генератор, к выходу которого подключено п каналов, каждый из кото. рых состоит из последовательно соединенных преобразователя частоты, фильт;ра нижних частот и усилителя .2. . Основным недостатком известного устройства генерирования многофазного напряжения является повышенная не стабильность частоты выходных напряжений, 9пределяемая выражением

tiF oc -f -oCjfj

. J

гдеЫ и о(: дМ-ЕоГ соответственно относительные нестабильности частот перестраиваемого и неперестраиваемого генераторов;

F - частота выходных напряжений. Незначительные отклонения частот f, и f от номинальных значений за счет дестабилизирующих факторов приводят к значительным изменениям частоты выходных напряжений. Чем выше частоты 3959 f и fj исходных ко.пебаний вспомогательного и задающего генераторо и чем ниже частота F выходных колебаний тем больше относительная нестабильность последних. Так, например, если нестабильность частоты f составляет О/. 12;, а ее абсолютное значение пре вышает в 100 раз значение частоты F, то нестабильность известного генератора по частоте составляет 1 100 1005;. Другой недостаток известного устройства заключается в невысокой стабильности амплитуд получаемых выходны напряжений, проявляющийся в основном вследствие низкой температурной и временной стабильности применяемых в смесителях нелинейных элементов, а также непостоянства амплитуд выходных напряжений задающего и вспомогательно го генераторов. Недостатком устройства генерирования многофазного напряжения, основанного на преобразовании частоты, следует также считать сравнительно большое время установления параметров выходных колебаний (амплитуды, фазы, . частоты) при включении и перестройке частоты генератора, Причиной этого яв ляется постоянная времени фильтров нижних частот, применяемых для подавления паразитных комбинационных частот на выходах смесителей. Величина постоянной времени, обычно, значитель но превосходит величину периода преоб разуемого напряжения. Перечисленные выше недостатки раскрыты на примере генерирования двухфазного напряжения. Вполне очевидно, что все они присущи и в случае генерирования многофазного напряжения с большим количеством выходных напряжений, так как принцип преобразования частоты в каждом из преобразовательно-усилительных каналов остается, прежним, увеличивается лишь количество каналов и количество фазовращателей. Цель изобретения повышение стабильности частоты выходных сигналов при одновременном увеличении быстродействия. Для достижения этой цели в известное устройство для генерирования многофазного напряжения, содержащее задатежй грнерЧтор, к выходу которого подключено п каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя частоты, фильтра нижних частот и усилителя, введены формирователь импульсов, последовательно соединенные формирователь прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом задающего генератора, управляемый делитель частоты, триггер, первый элемент И, выход которого соединен с управляющим входом управляемого делителя частоты, вторым входом триггера и входом формирователя импульсов, последовательно соединенные второй элемент И, распределитель, вход сброса которого соединен с выходом первого элемента И и элемент НЕ, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, между выходом формирователя прямоугольных импульсов и вторым входом первого элемента И введен формирователь удвоенного периода, вход синхронизации которого соединен с управляющим входом преобразователя частоты первого,канала, а между каждым управляющим выходом распределителя и управляющим входом соответствующего прет образователя частоты введен третий элемент И, при этом вторые входы третьих элементов И соединены с выходом формирователя импульсов и вторым входом второго элемента И. На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, а на фиг.2 и 3 - эпюры, поясняющие его работу. Устройство для генерирования многофазного напряжения содержит задающий генератор 1, п преобразователей частоты 2, п фильтров 3 нижних частот, п усилителей Л, п третьих элементов И 5, формирователь 6 прямоугольных импульсов, управляемый делитель 7 частоты, триггер 8, первый элемент И 9, второй элемент И 10, распределитель 11, элемент НЕ 12, формирователь 13 удвоенного периода, формирователь импульсов. Один из возможных вариантов выполнения формирователя 13 удвоенного периода содержит триггер 15 со счетным входом, переключатель 16, инвертор 17. интегратор 18, нуль-орган 19, элементы НЕ 20, 2)дифференцирующую цепь 22, элементы И 23 и 2, триггер 25 с раздельным запуском, дифференцирующий цепи 26, 27, 28 и 29, элементы И 30, 31, 32 и 33, элемент ИЛИ 3. 5 9 Устройство генерирования многофаз ного напряжения работает следующим образом. На сигнальный вход формирователя 13 удвоенного периода подаютс прямоугольные импульсы, сформированные формирователем 1 из выходного напряжения задающего генератора 1 , Для синхронизации работы формировате ля 13 на его вход синхронизации подаются импульсы с выхода элемента И первого канала. Формирователь 13 пос ле каждого синхронизирующего импуль са вырабатывает пачку запускающих импульсов с периодом повторения, рав ным удвоенному периоду последователь ности импульсов, поступающей на ее сигнальный вход. При этом первый запускающий импульс в пачке сдвинут во времени по отношению к заднему фронту синхронизирующего импульса тоже на промежуток времени, равный удвоенному периоду входного сигнала. Таким образом, если за начало отсчета времени принять момент окончания синхронизирующего импульса, то запус кающие импульсы на выходе формирователя 13 появляются в моменты времени 2рТ, где Р 1, 2, 3,.... - количест во запускающих импульсов в пачке; Tf 1/ - период импульсной последовательности на сигнальном входе формирователя 13- В случае отсутстви синхронизирующих импульсов запускающие импульсы следуют с одинаковым интервалом 2 Tf на протяжении всего времени работы схемы. С выхода формирователя 13 запускающие импульсы подаются на первый вход элемента И 9. На выход элемента . И 9 запускающие импульсы проходят в случае наличия на его втором входе состояния I, которое обеспечивается триггером 8. Установка триггера 8 в I, осуществляется с помощью управляемого делителя частоты 7 каждым п-м (п 2, k, 6,... - коэффициент деления управляемого делителя частоты 7 импульсом формирователя 14, следующим после сброса управляемого дели теля частоты 7 в исходное состояние О. Сброс в состояние О управляемого делителя частоты 7 осуществляется каждым запускающим импульсом, прошедшим через элемент И 9--Кроме этого, запускающий импульс устанавливает триггер 8 в состояние О, распределитель 11 в первое положение на первом выходе), а также синхронизирует формирователь k, Установка распределителя 11 в первое положение обеспечивает состояние 1 на втором входе элемента И 10 (поскольку второй вход элемента И 10 с помощью элемента НЕ 12 подключен к (т+1 )-му выходу распределителя 11 ,то он принимает состояние О только в (т + 1)-м положении распределителях; во всех остальных положениях распре11 на втором входе элемента делителя И 10 сохраняется состояние I). Начало первого импульса формирователя 1t следующего после синхронизации, совпадает с моментом прихода запускающего импульса. Этот первый импульс с вь1хода формирователя Т через элемент И 5 первого канала, подключенный своим вторым входом к первому выходу распределителя 11 передается на управляющий вход преобразователя частоты 2 первого канала и на вход синхронизации формирователя 13- Первый импульс с выхода формирователя Н также поступает через элемент И 10 на вход распределителя 11. Задним фронтом этого импульса распределитель 11 устанавливается во второе положение, при котором 1 появляется на втором его выходе. В результате этого второй импульс фо мирователя k проходит через элемент И 5 второго канала на управляющий вход преобразователя частоты 2 второго канала. Задний фронт второго импульса устанавливает распределитель 11 в .третье положение. Таким образом, каждый k-й (k 1, 2, 3,...) импульс, следующий с выхода формирователя 1 k после его синхронизации, поступает на управляющий вход преобразователя . частоты 2 k-ro канала, переключая при этом своим задним фронтом распределитель 11 в следующее (k +1)-е положе;ние. Перейдя в (т + )-е положение, распределитель 11 остается в этом положении до прихода следующего запускающего импульса с выхода элемента И Э, так как состоянию I на (т + 1)-м выходе распределителя 11 соответствует состояние О на втором входе элемента И 10. В этом случае импульсы с выхода формирователя lit через элемент И 10 на вход распределителя 11 не поступают.На вторых входах всех элементов И 5 при (т + 1)-м положении распределителя 11 сохраняется состояние О, т. е. управляющие входы преобразователей частоты 2 отключены от выхода формирователя lAt С появлением на выходе элемента И 9 следующего запускающего импульса процесс повторяется аналогичным образом. Во время воздействия импульса выборки на управляющий вход преобразователя частоты 2 его выходное напряжение следит за входным напряжением U. С исчезновением импульса выборки преобразователь частоты 2 (аналоговое запоминающее устройство) переходит в режим хранения, и до перибда следующего импульса на его выход сохраняется уровень напряжения, соот ветствующий мгновенному значению вход ного напряжения в момент окончания импульса выборки. Работа формирователя 13 удвоеннбго периода происходит следующим образом. Из выходного напряжения U, формирователя И с помощью триггера 15 формируется две противофазные последовательности импульсов типа меандр с частотой повторения, равной половине частоты задающего генератора 1. Указанные импульсы, снимаемьйв с противофазных выходов триггера 15 используются для управления работой переключателя 16, элементов И 23 и 2k, а также в определенные :моменты времени из их фронтов с по;мощью дифференцирующих цепей 2б и 27 и элементов И 30, 31 могут формироваться запускающие импульсы. В подав ляющем же больщинотве случаев формирование запускающих импульсов происходит из фронтов нуль-органа 19 с помощью дифференцирующих цепей 28 и 29 и элементов И 32, 33. Под воздайстанем выходных импульсов триггера 15 переключатель 16 подключает сигйальный вход интегратора 18 поочеред но то к входу (состояние О на первом выходе триггера 15) - то к выходу (состояние 1 на первом выходе триггера 15), инвертора 17. Вследствие этого во время паузы между импульсами, поступающими на вход синхронизещии формирователя 13 выходное напряжение ILg интегратора 18 изменя ется по линейному закону в сторону плюса, если к его си нальному входу подключен выход инвертора 17 (напряж ние Ufl на сигнальном входе интегратора 18), ив сторону минуса, - если подключен вход инвертора 17 (напряже ние +Un на сигнальном входе интегратора 18). Во время действия импульса на 1входе синхронизации формирователя 13 разрядный ключ интегратора 18 открыт, и его выходное напряжение равно нулю. При оптимальном выборе постоянной времени интегратора 18, последний работает на линейном участке (без ограничения) и уровень его выходного напряжения достаточный для срабатывания нуль-органа 19. Триггер 25 используется в качестве элемента памяти, который запоминает состояние триггера 15, а значит, и направление изменения выходного-напряжения интегратора Т8 в момент окончания импульса, действующего на входе синхронизации формирователя 13. Этим обеспечивается формирование запускающих импульсов из выходного напряжения муль-о) 19 при,этом же направлении изменения напряжения 11 интегратора 18, которое он имел в момент окончания предыдущего импульса на входе синхронизации. Установка триггера 25 в состояние, соответствующее состоянию триггера 15 в момент окончания импульса на входе синхронизации осуществляется по цепи: вход синхронизации формирователя 13 - последовательное соединение элемента НЕ 21 и дифференцирующей цепи 22 первый еход одного из элементов И 23 или 2 (то, а котором на втором входе - 1), При этом, если первый выход триггера 25 принимает состояние 1, то формируется пачка запускающих импульсов из передних фронтов выходного напряжения нуль-органа 19 С помощью дифференцирующей цепи 28 и элемента И 32. Если же второй выход триггера 25 находится в состоянии 1, то пачка запускающих импульсов формируется из задних фронтов напряжения и с помощью элемента НЕ 20 дифференцирующей цепи 29 и элемента И 33 Неопределенность в установке триггера 25, которая имеет место, когда задний фронт импульса на входе синхронизации формирователя 13 совпадает с фронтом выходного импульса и/15 триггера 15, не нарушает нормальной работы формирователя 13, поскольку следующий импульс запуска формируется непосредственно из фронта импульса триггера 15 одной из дифференцирующих цепей 26 или 27 и соответствующим элементом И 30 или 31 (тот, у которого по второму входу имеется разрешающий потенциал I, от нуль-органа 19). Все вырабатываемые запускающие импульсы проходят

через элемент ИЛИ З на выход формирователя 13.

Для случаев, представленных на временных диаграммах (фиг. 2 и 3), в включения распределитель 11 находится в (т + 1)-м, т, е. в J-M положении. Управляемый делитель частоты 7 и триггер 8 установлены в О Напряжение на выходах преобразователей частоты 2 и интегратора 18 равны нулю. Триггер 15 по первому выходу находится в 1, а триггер 25 по первому выходу - в О.

Во воемя существования I на первом выходе триггера 15 выходное напряжение интегратора 18 линейно нарастает, нуль-орган 19 находится в состоянии I. В момент изменения coctoяния первого выхода триггера 15 из I в О напряжение начинает линейно падать. При прохождении выходным напряжением нулевого уровня нуль-орган 19 переходит в состояние О. В этот момент из заднего фронта напряжения с помощью элемента НЕ 20 и дифференцирующей цепи 29 формируется первый запускающий импульс, который проходит через открытый по второму входу элемент И 33 и элемент ИЛИ k на первый вход элемента И 9- С момента t до появления первого запускающего импулса на выходе элемента И 33 элементы И 31 и. 32 заперты нулевыми потенциалами соответственно с выхода элемента НЕ 20 и первого выхода триггера 25. Элемент И 30 открыт по второму входу, однако в этот промежуток времени на его первый вход импульсы не поступают. Если коэффициент деления (Управляемого делителя частоты 7 равен 2, то к момент появления первого запускающего импульса на выходе элемента ИЛИ З триггер В устанавливается в I передним фронтом.выходногр импульса управляемого делителя частоты 7 (см. фиг. 2). Таким образом в случае п 2 первый запускающий импульс проходит через элемент И 9. Запускающий импульс, прошедший на выход элемента И 9. устанавливает в О управляемый делитель частоты 7 и триггер 8, а также устанавливает, |эаспределйтель 11 в первое положение. Кроме этого, запускающий импульс синхронизирует работу формирователя I, в результате чего первый импульс с его выхода после синхронизации начи- нается в момент прихода запускающего

импульса. Следующие после синхронизации формирователя Ц первый, второй и третий импульсы переводят последовательно с временными сдвигами, равными периоду Т формирователя Т, преобразователи частоты 2 соответственно первого, второго и третьего каналов в режим слежения. Выходные напряжения IL, Ug следят за входным напряжением Ur. С исчезновением импульсов на управляющих входах преобразователей частоты 2, последни переходят в режим хранения. Перейд в 4-е положение, распределитель 11 остается в этом положении до появления следующего запускающего импульса на выходе элемента И 9. Импульсом с выхода элемента И 5 первого канала, поступающим на вход синхронизации формирователя 13 по управляющему входу интегратор.- 18 удерживается в разряженном состоянии. Так как задний фронт первого импульса на входе синхронизации, формирователя совпада;ет во времени с фронтом выходного импульса Ujg- то триггер 25 может принятБ любое состояние ас- В то же время после первого импульса синхронизации формирователя 13 нуль-орган 19 находится в состоянии I, в результате чего по второму входу .элемент И 30 открыт, т. е. имеется раз решение на прохождение второго запускающего импульса, сформированного Дифференцирующей целью 26 из переднего фронта напряжения . Пройдя через элементы ИЛИ 3 и И 9 этот запускающий импульс вторично устанавливает в О управляемый делитель частоты 7 и триггер 8, а также устанавливает а первое положение распределитель 11, Этим же запускающим имИульсом вторично синхронизируется формирователь 14. Под воздействием вторых импульсов в преобразователях 2 запо(йнаются новые значения на- пряжения Uo. В момент появления заднего фронта второго импульса на выходе элемента И 5 первого канала триггер 25 по первому выходу устанавливается в состояние I, обеспечивая разрешение на прохождение через элемент -И 32 третьего, четвертого и пятого запускающих импульсов, формируемых дифференцирующей цепью 28 из переднего фронта напряжения U . Через элементы И 30, 31 и 33 на этом ин Тервале -запускающие- импульсы не проходят. В паузе между пртым и шестым импульсами на выходе элемента И 5 первого канала напряжение U имеет отрицательную полярность, поэтому нуль-орган 19 находится в О. Нулевой потенциал на выходе нуль-органа 19 обеспечивает разрешение на прохождение мерез элемент И 31..шестого запускающего импульса от дифференцирующей цепи 27, совпадающего с задним фронтом напряжения элементов И 5 Шестой импульс на выходе элемента И 5 первого канала своим задним фронтом устанавливает первый выход триггера 25 в О {если такое не было установ лено предыдущим аналогичным импульсом). Новое состояние триггера 25 обеспечивает возможность прохождения через элемент И 33 седьмого, восьмого и девятого запускающих импульсов, формируемых дифференцирующей цепью; 29 из задних фронтов напряжения U . С появлением девятого запускающего импульса первый цикл работы формирователя 13 заканчивается. В следующих циклах формирование запускающих импульсов происходит аналогичным образом, В случае, если коэффициент деления п управляемого делителя частоты 11 больше 2 (п k, 6,...), установка триггера 8 в осуществляется соот ветственно каждым k-M, 6-м,,.. импул сом Ш- (см. фиг. 3)- Формирователь 1 после каждого импульса синхронизации выдает вместо одного соответственно 2, 3,..- запускающих импульсов. Задержка первого запускающего по отношению к заднему фронту импульса синхронизации составляет 2 периода напряжения Ur. Таким образом, паузы между импульсами выборок, воздейству ющими на управляющий вход каждого из преобразователей частоты 2 составляю соответственно., б,... периодов напряжения и. В приведенных на диаграммах приме рах, длительность выборки ТГ составляет четверть периода T напряжения и задающего генератора 1. На практи ке придерживаются соотношения ТГ«Т4 при которых ур.овень нелинейных искаже ний значительно меньше, и выходные напряжения преобразователей частоты 2 являются более близкими по форме к напряжению U задающего генератора Период Т повторения импульсов вы борок ц, 9 12 где Т - длительность импульса выборки (равна длительности импульса формирователя 1О ; t - длительность паузы между двумя соседними импульсами выборок. Так. в паузе между соседними импульсами выборок к сигнальному входу интегратора 18 одно из входных напряжений U подключено на время 5 Tf, то другое из них (противоположное по знаку) для достижения начального уровня тоже должно быть подключенным в течение промежутка Tf. Таким образом, длительность пауtn nTf, Tg nTf + -t. Из временных диаграмм напряжений Uf и и нетрудно убедиться, что период выходного напряжения устройства Tf , Tf (nTf +r)-. -tr & тг Откуда частота выходного напряже- ,, ния многофазного генератора . J ir F JL. и-bft; Tp Tj где f 1/Tf - частота задающего генератора. Учитывая, что на практике выполняется условие Т /Тр « | г- fH . , Ч- (6). h-t-fT h-KC/Tf v Из формулы 6 видно, что частоту выходного напряжения многофазного генератора можно изменять плавно, если изменять плавно частоту задающего генератора или длительность выборки и дискретно, если изменять коэффициент деления п управляемого делителя частоты 7. Из временных диаграмм нетрудно убедиться, что разность фаз между выходными напряжениями многофазного генератора ДЧ ;-ДЧ..ДН 2ir(k-i) -разность фаз .между выборками, принадлежащими k-му и i-му каналам 2(k-i) Y набег разности фаз между k-м и 1-м выходными напряжениями за 13 . 9592 счет временного сдвига между выборками в k-м и i-м каналах; k 1,2. . .m и i 1 ,2...n() порядковые номера выходных s напряжений многофазного генератора; Т - период формирователя Il. :С учетом (6) L ---SL(Y,-) - .-ItttK-l) CMT{tT)T (K-i)vi Учитывая соотношение Т.«Т, выраже- is ние (8) можно привести к виду HKi 2JCU- f--A, , . Фазовый сдвиг дЧ между любыми соседними фазами выходного напряжени можно .получить из (8) и (9), произве дя подстановку k-i 1. ли -/7Ги - 1--лОТГ- - AVDv ,п VI т l W/lt - uff . to) T где фазовый сдвиг между соседни ми выборками напряжения Ur Из (9) и (Ю) видно, что, изменяя период Т формирователя f, можно одновременно и в одинаковой степени из менять фазовые сдвиги между любыми выходными напряжениями. Относительная нестабильность часгтоты выходного напряжения многофазного генератора AF/F-., и ДТ/Т- соответственно относительные нестабильности частоты задающего генератора и длительности импульса генератора импульсов. Предлагаемое устройство позволяет на несколько порядков повысить стабильность частоты выходного напряжения. taK, в соответствии с (П) при нестабильности частоты задающего генератора % и нестабильности длительности генератора импульсов &Т/Т 1 максимальная нестабильность частоты выходного напряжения не превышает 2лЕ/- +ДГ/Т (l2) Она н-е возрастает с увеличением отношения иастот {/р , что наблюдается в прототипе. Последнее обстоятельство позволяет в значительной степени расширить частотный диапазон генерируемых напряжении в сторону имфранизких частот. Предлагаемое устройство обладает более высокой стабильностью амплитуды генерируемых напряжений, поскольку применен более стабильный, чем в известном преобразователь частоты (аналоговое запоминающее устройство) и исключен из схемы известного вспомогательный генератор, нестабилькость амплитуды которого сказывается на нестабильности амплитуды выходных напряженийКроме этого, в предлагаемом устроистве сокращено время установления параметров генерируемых напряжений. Это объясняется тем, что в данном случае возможно применение более быстродействующих фильтров нижних частот или, даже, их исключение из схемы, так как паразитные комбинационные частоты, возникающие в проcrцессе преобразования в значительной степени подавляются самими преобразователями частоты - аналоговыми запоминающими устройствами. Формула изобретения Устройство для генерирования многофазного напряжения, содержащее задающий генератор, к выходу которого подключено п каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя частоты, фильтра нижних частот и усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения стабильности частоты выходных сигналов при одновременном увеличении быстродействия, введены формирователь импульсов, по следовательно соединенные формирова тельпрямоуго;1ьных импульсов, вход которого соединен с выходом задающего генератора, управляемый делитель частоты, триггер, первый элемент И, выход которого соединен с управляющим входом управляемого делителя частоты, вторым входом триггера и входом формирователя импульсов, по- следовательно соединенные второй элемент И, распределитель, вход сброса которого соединен с выходом первого элемента И, и элемент НЕ, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, между выходом формирователя прямоугольных импульсов и вторым входом первого элемента И

15 ; 959257 сведен формирователь удвоенного периода, вход синхронизации которого соединен с управляющим входом преобразователя частоты первого канала, а между каждым управляющим выходом рас- s {1ределителя и управляющим входом соответствукнцего преобразователя частоты введен третий элемент И, при этом вторые входы третьих элементов И соединены с выходом формирователя импуль-Ю сов и вторым входом второго элеменta И. 16

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2,Колтик Е. измерительные двухфазные генераторы переменного тока, Комитет стандартов, яер .и изм..приборов при СМ СССР, М., 1968, с. 7-11, 22 (прототип).

.,I

JinnnnnnnnrnHrinnnnnnnnnnnnnnnnnnninnnnnnnnnnnmnnnnnnnnnninnnnnn

rrr rn

о m ч

Ixv /vti/x/Xyv y

ГП ГП r n

.

Л/ N/ N4/