ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Генератор сигналов электропитания относится к области радиотехники и предназначен для электропитания импульсных радиопередатчиков и управляемых генераторов радиоимпульсных сигналов.
Известны источники электропитания и генераторы сигналов, используемых для электропитания различных радиотехнических устройств общего и специального назначения, описанные, например, в кн.: Шустов М.А. Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы, т.2. - М.: Альтекс-А, 2002. - 192 с. или в кн.: Марк Е.Хернитер. Необычные радиолюбительские конструкции. - М.: Изд. ДМК Пресс, 2011. - 174 с. Эти устройства содержат компараторы, шим-контроллеры («шим» - широтно-импульсная модуляция), фильтры нижних частот, ключи, накопительные емкости - источники выходного напряжения, и источники внешнего опорного напряжения. Они вырабатывают напряжения, необходимые для питания радиоустройств, а за счет широтно-импульсного преобразования имеют высокий коэффициент полезного действия.
Недостатком данных устройств является отсутствие возможности цифрового управления уровнем вырабатываемого напряжения и необходимостью применения вторичных управляемых стабилизаторов при питании радиоимпульсных генераторов с изменяемой выходной мощностью, приводящих к снижению коэффициента полезного действия устройства в целом.
Наиболее близким к заявляемому является устройство, описанное в кн.:  Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения, т.3. - М.: Альтекс-А, 2002. - 190 с. Устройство содержит компаратор, шим-контроллер, накопительный ключ, накопительную емкость, делитель напряжения, источник внешнего постоянного опорного напряжения и фильтр нижних частот. На компаратор подается постоянное опорное напряжение, где оно сравнивается с выходным напряжением фильтра нижних частот, результат сравнения управляет шим-контроллером. Шим-контроллер вырабатывает импульсы, у которых период повторения остается постоянным, а длительность изменяется в зависимости от управляющего сигнала с выхода компаратора. Эти импульсы поступают на накопительный ключ и открывают его на время своей длительности. Когда накопительный ключ открывается, он подключает источник внешнего постоянного напряжения к накопительной емкости, выходной сигнал накопительной емкости проходит через делитель напряжения и усредняется в фильтре нижних частот.
Недостатком подобного устройства является невозможность управления уровнем выходного напряжения с помощью цифрового кода, в то же время современные генераторы радиоимпульсов зачастую требуют внешнего управления с микроконтроллера или с удаленного компьютера и должны оперативно менять уровень своей выходной мощности в широком диапазоне с определенным шагом.
Кроме того, ко многим генераторам радиоимпульсов предъявляются жесткие требования по диапазону изменяемой выходной мощности и коэффициенту полезного действия. В то же время при питании постоянным напряжением с выхода известных устройств необходимо в течение короткого времени обеспечивать переход с максимальной мощности генерируемого радиосигнала к ее минимальному значению. В связи с этим известные устройства не могут применяться для питания таких радиоимпульсных генераторов. Также, в паузах между радиоимпульсами генератор радиоимпульсов потребляет некоторую энергию от сетей питания или элементов питания в известных устройствах, что снижает общий коэффициент полезного действия, что особенно актуально при использовании автономного питания.
Указанные недостатки сужают область применения известных устройств генераторов радиоимпульсов.
Задачей данной полезной модели является расширение области применения известных источников сигналов электропитания и улучшение энергетических показателей и быстродействия управляемых генераторов радиоимпульсов.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее компаратор, шим-контроллер, накопительный ключ, накопительную емкость, источник внешнего постоянного напряжения, делитель напряжения и фильтр нижних частот, введены контроллер, цифро-аналоговый преобразователь, формирователь временного окна и управляемый генератор тока, при этом управляющий вход устройства соединен со входом контроллера, а выход контроллера - со входами цифро-аналогового преобразователя и формирователя временного окна, выход цифро-аналогового преобразователя подключен к одному из входов компаратора, а выход компаратора через шим-контроллер - к сигнальному входу накопительного ключа, ко входу питания которого подключен источник внешнего постоянного напряжения, выход накопительного ключа соединен с сигнальным входом накопительной емкости, а выход управляемого генератора тока соединен с управляющим входом накопительной емкости, выход формирователя временного окна подключен ко входу управляемого генератора тока, а выход накопительной емкости подключен к выходу устройства и через последовательно соединенные делитель напряжения и фильтр нижних частот к другому входу компаратора.
На чертежах представлены: на фиг.1 - структурная схема генератора сигналов электропитания; на фиг.2 - пример реализации генератора сигналов электропитания.
На фиг.1 обозначены: контроллер 1; цифро-аналоговый преобразователь 2; формирователь временного окна 3; компаратор 4; фильтр нижних частот 5; делитель напряжения 6; шим-контроллер 7; накопительный ключ 8; накопительная емкость 9; управляемый генератор тока 10; источник внешнего постоянного напряжения 11.
На фиг.2 обозначены: контроллер 12; цифро-аналоговый преобразователь 13; формирователь временного окна 14; шим-контроллер 15; источник внешнего постоянного напряжения 16; управляемый генератор тока 17, фильтр нижних частот и делитель напряжения 18, накопительный ключ 19 и накопительная емкость 20.
ВХ
ВЫХ
Блоки устройства работают следующим образом. С внешнего управляющего микроконтроллера или с удаленного компьютера через последовательный интерфейс шины SPI на контроллер 1 подается управляющий сигнал U в виде цифрового кода, который несет информацию о том, какой уровень в данный момент должно иметь постоянное напряжение U на выходе устройства, т.е. какой уровень должен иметь радиоимпульс, вырабатываемый внешним радиочастотным генератором в данный момент, который питается от заявляемого устройства. В контроллере 1 это управляющее напряжение преобразуется в код, необходимый для работы цифро-аналогового преобразователя 2. На основе этого кода он вырабатывает аналоговое напряжения, которое подается, соответственно, на компаратор 4.
В компараторе 4 выходное напряжение цифро-аналогового преобразователя 2 сравнивается с выходным напряжением фильтра нижних частот 5. Напряжение, пропорциональное их разности поступает на вход шим-контроллера 7. В зависимости от знака этой разности шим-контроллер 7 либо увеличивает длительность вырабатываемых импульсов, либо уменьшает ее (при сохранении постоянным периода повторения импульсов).
Когда эти импульсы приходят на вход накопительного ключа 8, он открывается, а в паузах между импульсами накопительный ключ закрывается. Когда накопительный ключ открывается, на свой выход он пропускает выходное напряжение источника внешнего постоянного напряжения 11. Источник внешнего постоянного напряжения постоянно вырабатывает постоянное напряжение на своем выходе.
ВЫХ
ВЫХ
Выходные импульсы с накопительного ключа 8 подаются на накопительную емкость 9, где их энергия накапливается. С накопительной емкости 9 напряжение U поступает на выход устройства и на делитель напряжения 6. Через делитель напряжения проходит определенная постоянная часть от напряжения U, которая остается постоянной все время работы устройства. Возможная переменная составляющая, вызванная нестабильностью поведения нагрузки, сглаживается в фильтре нижних частот 5 и подается на другой вход компаратора 4, где сравнивается с выходным напряжением цифро-аналогового преобразователя 2.
ВЫХ
Управляемый генератор тока 10 включается на определенный временной интервал, когда необходимо понизить выходное напряжение устройства U до нового меньшего заданного контроллером значения. Это необходимо в тот момент, когда генератор должен быстро перейти на более низкий уровень вырабатываемой мощности. Таким образом, осуществляется быстрое окончание переходных процессов во внешнем генераторе радиоимпульсов и быстрое снижение амплитуды вырабатываемого радиоимпульса. Время открытия управляемого генератора тока определяется формирователем временного окна 3.
ВЫХ
ВЫХ
ВХ
ВЫХ
ВЫХ
Принцип работы устройства заключается в следующем. Уровень радиоимпульсов, которые вырабатывает внешний генератор радиоимпульсов определяется величиной напряжения U, используемого для его питания. Удаленный компьютер или внешний микроконтроллер управляет работой заявляемого генератора сигналов электропитания таким образом, чтобы в каждый момент времени на его выходе вырабатывалось именно такое значения напряжения U, которое необходимо, чтобы мощность радиоимпульса была требуемой в этот момент величины. Для этого цифровой управляющий сигнал U с помощью контроллера 1 и цифро-аналогового преобразователя 2 преобразуется в определенное аналоговое напряжение. Петля регулировки, состоящая из компаратора 1, шим-контроллера 7, накопительного ключа 8, накопительной емкости 9, делителя напряжения 6 и фильтра нижних частот 5, обеспечивает необходимый уровень напряжения U. Таким образом, каждому управляющему цифровому сигналу удаленного компьютера соответствует свой уровень U и мощности радиоимпульса.
Пример реализации предлагаемого устройства приведен на фиг.2. Часть блоков, имеющих стандартные реализации, (компаратор 12, цифро-аналоговой преобразователь 13, формирователь временного окна 14, шим-контроллер 15, источник внешнего постоянного напряжения 16 и управляемый генератор тока 17) оставлены в виде блоков структурной схемы, остальные блоки детализированы до принципиальной схемы. В частности, компаратор предлагается реализовать на операционном усилителе DA, при этом два сравниваемых сигнала подаются на его парафазные входы. Накопительный ключ 19 реализован на транзисторе VT, диоде VD, дросселе L и резисторе R3. Транзистор осуществляет, собственно, коммутацию. Резистор служит для обеспечения токовой защиты системы преобразования напряжения. Дроссель используется для накопления энергии умножаемого напряжения. Диод необходим для развязки низковольтного постоянного потенциала источника питания и высоковольтного накопленного потенциала в результате импульсного умножения напряжения.
Накопительная емкость 20 создается включенными параллельно конденсаторами C2 и C3. В них происходит накопление энергии, необходимой для обеспечении нужного уровня мощности радиоимпульсов, вырабатываемых внешним радиоимпульсным генератором. Два конденсатор включены параллельно, поскольку необходимо обеспечить фильтрацию ВЧ пульсаций вызванных ШИМ-преобразованием и одновременно накапливать большое количество энергии, т.к. электролитические конденсаторы, обладающие высоким индуктивным сопротивлением, в одиночном использование, неспособны эффективно подавлять помехи от фронтов ШИМ преобразователей)
Делитель напряжения и фильтр нижних частот 18 реализованы схемой из резисторов R1 и R2 и конденсатора C1. Управляющий сигнал подается с удаленного компьютера на вход устройства по шине SPI.
Использование генератора сигналов электропитания возможно в тех случаях, когда длительность вырабатываемых радиоимпульсов должна строго соблюдаться, что не удается достичь в известных технических решениях. Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет расширить область применения источников сигналов электропитания и улучшить энергетические показатели радиоимпульсных генераторов.