ГЕНЕРАТОР ДВУХФАЗНЫХ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
TWO-PHASE HARMONIC SIGNAL GENERATOR

Изобретение относится к области радиотехники, в частности, может использоваться для формирования гармонических сигналов возбуждения синусных и косинусных обмоток вращающихся трансформаторов.
Известен двухфазный генератор гармонических сигналов (А.С. №1084941 приоритет от 11.09.1981, «Двухфазный генератор гармонических сигналов», авторы: Колбин В.А., Корепанов А.Г., МПК Н03В 27/00, опубликовано 07.04.1984 бюл. №13), содержащий последовательно соединенные мультивибратор и распределитель импульсов, блок ключей, фильтр нижних частот, дополнительные блок ключей и фильтр нижних частот, многоуровневый источник постоянных напряжений. Первый, второй, …, n выходы распределителя импульсов соединены соответственно с первыми, вторыми, …, n управляющими входами блока ключей и дополнительного блока ключей. Выход блока ключей подключен к входу фильтра нижних частот. Выход дополнительного блока ключей подключен к входу дополнительного фильтра нижних частот. Первый, второй, …, n сигнальные входы блока ключей подключены соответственно к первому, второму, …, n выходам многоуровневого источника постоянных напряжений. Первый, второй, …, n сигнальные входы дополнительного блока ключей соединены соответственно с k, k+1, …, k+n выходами многоуровневого источника постоянных напряжений, где k=ϕn/2π, ϕ - сдвиг фаз между выходными сигналами, 2π/n - шаг дискретизации гармонического сигнала, n - любое число. Для повышения точности формирования гармонического сигнала требуется увеличивать число уровней аппроксимации, а, следовательно, и шаг n. Для сдвига на π/2 можно выбирать n=8, 12, 16, … и т.д. Данное устройство выбрано в качестве наиболее близкого аналога к заявляемому изобретению.
Недостатками известного двухфазного генератора гармонических сигналов являются:
- применение большого количества ключей (для сдвига фаз между выходными сигналами на π/2 требуется как минимум 16 ключей в двух блоках) и многоуровневого источника постоянных напряжений снижает надежность и увеличивает массогабаритные характеристики;
- нестабильность амплитуды выходных сигналов в условиях динамического изменения величин параметров (индуктивности, полного сопротивления) индуктивной нагрузки;
- в описании известного генератора нет сведений о типе (активные/пассивные) и порядке фильтров нижних частот. Поскольку нет оговорки об активном типе, вероятнее всего, подразумеваются пассивные фильтры нижних частот, причем как минимум 3-4 порядков (либо два последовательно соединенных фильтра нижних частот 2 порядка на каждом выходе). А пассивные фильтры нижних частот 3-4 порядка (либо два последовательно соединенных фильтра нижних частот 2 порядка) уменьшают многократно амплитуду напряжений сигналов, сформированных на выходах блоков ключей. Кроме того, пассивный фильтр нижних частот 3-4 порядка сложен в настройке его амплитудно-частотной характеристики. Если применены активные фильтры нижних частот (так же, как минимум, 3-4 порядков), то тогда реализация схемы данного устройства становится неоправданно избыточной по количеству активных компонентов: источник с пятью, как минимум, опорными номиналами постоянных напряжений, как минимум шестнадцать ключей плюс два активных фильтра нижних частот 3-4 порядков (или четыре активных фильтра нижних частот 2 порядка).
Известен двухфазный генератор гармонических сигналов (патент РФ №2699590 приоритет от 21.01.2019, «Двухфазный генератор гармонических сигналов», авторы: Фатин В.Н., Арбузов В.Н., Бабнев С.Е., Шилов А.В., МПК Н03В 27/00, опубликовано 06.09.2019 Бюл. №25), содержащий первый, второй, третий и четвертый фильтры нижних частот, причем каждый фильтр выполнен в виде активного фильтра нижних частот, первый и второй сумматоры, блок ограничителей тока, первый и второй усилители мощности, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами двухфазного генератора гармонических сигналов, формирователь импульсных последовательностей, инвертор, триггер, первый и второй управляющие входы которого являются соответственно первым и вторым входами двухфазного генератора гармонических сигналов, а 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 которого соединены соответственно с пятым, шестым, седьмым и восьмым входами формирователя импульсных последовательностей, при этом восьмой вход 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 которого соединена с группой входов первого сумматора, выход которого соединен с последовательно соединенными первым фильтром нижних частот, третьим фильтром нижних частот и первым усилителем мощности, а вторая группа выходов соединена с группой входов второго сумматора, выход которого соединен с последовательно соединенными вторым фильтром нижних частот, четвертым фильтром нижних частот и вторым усилителем мощности, при этом группа входов питания каждого сумматора, фильтра нижних частот, усилителя мощности соединена с соответствующей группой выходов блока ограничителей тока, входы которого являются входами питания двухфазного генератора гармонических сигналов, причем каждая из пар, образованных первым и вторым фильтрами нижних частот, третьим и четвертым фильтрами нижних частот, первым и вторым сумматорами, выполнена на соответствующем сдвоенном операционном усилителе.
Недостатками известного двухфазного генератора гармонических сигналов являются:
- отсутствие дополнительных синусно-косинусных каналов генерирования гармонических сигналов;
- нестабильность амплитуды выходных сигналов в условиях динамического изменения величин параметров (индуктивности, полного сопротивления) индуктивной нагрузки (например, при изменении положения ротора относительно статора вращающегося трансформатора, включенного по схеме фазовращателя).
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании генератора со следующими характеристиками:
- содержащего не менее двух каналов (двух пар) генерирования двухфазных гармонических сигналов (синусного и косинусного);
- формирующего пары (синусный и косинусный) идентичных выходных гармонических сигналов, каждая из которых сдвинута по фазе относительно друг друга на 90° с высокой степенью точности;
- формирующего пары (синусный и косинусный) гармонических сигналов с заданным значением амплитуды выходных напряжений и малым значением разности между ними;
- формирование выходных гармонических сигналов должно быть синхронизировано внешним сигналом;
- требующего для формирования выходных гармонических сигналов источника постоянных напряжений не более чем с 2 опорными номиналами;
- обеспечивающего высокую степень идентичности значений параметров (амплитуда, частота, фаза) пар выходных сигналов;
- обладающего высокой стабильностью амплитуды выходных сигналов в условиях динамически меняющегося полного сопротивления их индуктивных нагрузок (это одно из важнейших условий обеспечения высокой точности функционирования вращающегося трансформатора, включенного по схеме фазовращателя);
- обеспечивающего минимальный сдвиг фаз между сигналами в синусном и косинусном каналах;
- обеспечивающего высокую степень идентичности и стабильности электрических характеристик синусного и косинусного сигналов при изменении температуры окружающей среды во всем диапазоне рабочих температур;
- сохраняющего работоспособность с заданными электрическими характеристиками в условиях воздействия ВВФ (внешние воздействующие факторы) с высокими значениями характеристик воздействия.
Технические результаты, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в повышении стабильности и идентичности электрических характеристик пар синусных и косинусных сигналов генератора и расширении функциональных возможностей.
Данные технические результаты достигаются тем, что в генераторе двухфазных гармонических сигналов, содержащем первый и второй сумматоры, первый, второй, третий и четвертый фильтры нижних частот, каждый из которых выполнен в виде активного фильтра нижних частот, блок ограничителей тока, первый и второй усилители мощности, выходы которых являются соответствующими выходами генератора двухфазных гармонических сигналов, формирователь импульсных последовательностей, инвертор, триггер, первый и второй управляющие входы которого являются соответственно первым и вторым входами генератора двухфазных гармонических сигналов, а 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 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, первая группа выходов которого соединена с группой входов первого сумматора, выход которого соединен с последовательно соединенными первым фильтром нижних частот, третьим фильтром нижних частот и первым усилителем мощности, вторая группа выходов формирователя импульсных последовательностей соединена с группой входов второго сумматора, выход которого соединен с последовательно соединенными вторым фильтром нижних частот, четвертым фильтром нижних частот и вторым усилителем мощности, при этом группа входов питания каждого сумматора, фильтра нижних частот, усилителя мощности соединена с соответствующей группой выходов блока ограничителей тока, входы которого являются входами питания генератора двухфазных гармонических сигналов, а каждая из пар, образованных первым и вторым фильтрами нижних частот, третьим и четвертым фильтрами нижних частот, первым и вторым сумматорами выполнена на соответствующем сдвоенном операционном усилителе, новым является то, что дополнительно введены, по крайней мере, по одному третьему и четвертому усилителю мощности, выходы которых являются соответствующими выходами генератора двухфазных гармонических сигналов, по крайней мере, по одному первому и второму повторителю напряжения, первый, второй и, по крайней мере, по одному третий и четвертый элементы обратной связи, второй вход третьего фильтра нижних частот соединен через первый элемент обратной связи с выходом первого усилителя мощности, вход которого соединен с первым входом каждого первого повторителя напряжения, выход которого соединен с входом соответствующего третьего усилителя мощности, выход которого соединен через соответствующий третий элемент обратной связи со вторым входом каждого первого повторителя напряжения, второй вход четвертого фильтра нижних частот соединен через второй элемент обратной связи с выходом второго усилителя мощности, вход которого соединен с первым входом каждого второго повторителя напряжения, выход которого соединен с входом соответствующего четвертого усилителя мощности, выход которого соединен через соответствующий четвертый элемент обратной связи со вторым входом соответствующего второго повторителя напряжения, при этом группа входов питания каждого повторителя напряжения, каждых третьего и четвертого усилителя мощности соединена с соответствующей группой выходов блока ограничителей тока, а каждая из пар, образованных первым и вторым повторителями напряжения выполнена на соответствующем сдвоенном операционном усилителе.
Выполнение первого и второго сумматоров, первого/второго и третьего/четвертого фильтров нижних частот, а также синусно-косинусных пар повторителей напряжения на сдвоенных операционных усилителях обеспечивает идентичность зависимости электрических характеристик синусных и косинусных сигналов генератора гармонических сигналов от изменения температуры окружающей среды.
Применение повторителей напряжения для формирования синусных и косинусных сигналов дополнительных каналов обеспечивает высокую степень идентичности значений параметров (амплитуда, частота, фаза) пар выходных сигналов и минимальный сдвиг фаз между сигналами в синусном и косинусном каналах.
Применение элементов отрицательной обратной связи обеспечивает высокую стабильность амплитуды выходных сигналов в условиях динамически меняющегося полного сопротивления их индуктивных нагрузок.
Расширение функциональных возможностей заключается в возможности наращивания количества каналов выходных сигналов и возможности задавать значения выходных сигналов. Возможность наращивания количества каналов выходных сигналов обеспечивается введением дополнительных первых и вторых повторителей напряжения, третьих и четвертых усилителей мощности и третьих и четвертых элементов обратной связи.
Установлением коэффициентов усилений пар узлов (соотношением значений номиналов их внутренних элементов - резисторов, непоказанных на функциональных схемах) сумматоров, первого и второго фильтров нижних частот, третьих и четвертых фильтров нижних частот задается значение амплитуды выходных напряжений (в пределах рабочих значений этих узлов). Малое значение разности между амплитудами выходных напряжений обеспечивается идентичностью схемотехнического исполнения и электрических характеристик трактов (от сумматора до усилителя мощности) каждого канала генератора двухфазных гармонических сигналов.
Высокая точность сдвига по фазе синусно-косинусных пар сигналов относительно друг друга на 90° обеспечивается:
- применением и спецификой схемотехнической реализации на быстродействующей логике формирователя управляющих сигналов (триггер, инвертор, формирователь импульсной последовательности), формирующего управляющие сигналы с точными и стабильными временными интервалами;
- идентичностью схемотехнического исполнения и электрических характеристик трактов (от сумматора до усилителя мощности) каждого канала генератора двухфазных гармонических сигналов.
Схемотехническая реализация заявляемого устройства позволяет для формирования выходных гармонических сигналов обходиться источником постоянных напряжений только с двумя опорными номиналами, а также уменьшает количество необходимых активных ЭРИ.
Синхронизация формирования выходных гармонических сигналов обеспечивается подачей на второй вход генератора двухфазных гармонических сигналов внешних тактирующих прямоугольных импульсов.
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 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, первый 4 и второй 5 сумматоры, первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 активные фильтры нижних частот второго порядка (далее по тексту - фильтр нижних частот), первый 10 и второй 11 повторители напряжения, первый 12, второй 13, третий 14 и четвертый 15 элементы отрицательной обратной связи, первый 16, второй 17, третий 18 и четвертый 19 усилители мощности, блок 20 ограничителей тока.
Первый и второй управляющие входы триггера 1 являются соответственно первым (RESET) 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. Первая группа выходов формирователя 3 импульсных последовательностей соединена с группой входов первого сумматора 4. Выход первого сумматора 4 соединен с последовательно соединенными первым фильтром 6 нижних частот, третьим фильтром 8 нижних частот и первым усилителем 16 мощности. Вторая группа выходов формирователя 3 импульсных последовательностей соединена с группой входов второго сумматора 5. Выход второго сумматора 5 соединен с последовательно соединенными вторым фильтром 7 нижних частот, четвертым фильтром 9 нижних частот и вторым усилителем 16 мощности. Второй вход третьего фильтра 8 нижних частот соединен с первым входом первого повторителя 10 напряжения и через первый элемент 12 обратной связи с выходом первого усилителя 16 мощности. Выход первого повторителя 10 напряжения соединен с входом третьего усилителя 18 мощности, выход которого соединен через соответствующий третий элемент 14 обратной связи со вторым входом первого повторителя 10 напряжения. Второй вход четвертого фильтра 9 нижних частот соединен с первым входом второго повторителя 11 напряжения и через второй элемент 13 обратной связи с выходом второго усилителя 17 мощности. Выход второго повторителя 11 напряжения соединен с входом четвертого усилителя 19 мощности, выход которого соединен через четвертый элемент 15 обратной связи со вторым входом второго повторителя 11 напряжения.
Группа входов питания каждого сумматора 4 (5), фильтра нижних частот 6 (7, 8, 9), усилителя мощности 16 (17, 18, 19), повторителя напряжения 10 (11) соединена с соответствующей группой выходов блока 20 ограничителей тока, входы которого являются входами питания генератора двухфазных гармонических сигналов.
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).
Сумматоры 4 и 5 выполняются на сдвоенном операционном усилителе (ОУ). К неинвертирующим входам операционных усилителей сумматоров 4 и 5 подключают соответственно сигналы SIN1, 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 6, 7 и 8, 9 нижних частот на неинвертирующем частотно-зависимом отрицательном сопротивлении выполняются на сдвоенных операционных усилителях соответственно.
Все резисторы и конденсаторы, применяемые в узлах сумматоров 4, 5 и фильтрах 6, 7, 8, 9 нижних частот должны быть прецизионными и с малыми значениями температурного коэффициента сопротивления и температурного коэффициента емкости соответственно.
Повторители 10 и 11 напряжения выполняются на сдвоенном операционном усилителе.
Элементы 12, 13, 14, 15 отрицательной обратной связи выполняются на резисторах.
Усилители 16, 17, 18, 19 мощности выполняются на комплементарных парах транзисторов.
Блок 20 ограничителей тока может быть выполнен на токоограничительных резисторах, которые включены в цепи электропитания всех операционных усилителей и в коллекторные цепи всех транзисторов. Блок 20 ограничителей тока предназначен для предотвращения пробоя операционных усилителей и транзисторов во время воздействия ВВФ.
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.
IN
IN
На второй вход генератора двухфазных гармонических сигналов подаются внешние тактирующие прямоугольные импульсы CLK с частотой следования F. 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/8. При этом на каждом выходе триггера 1 формируется импульс, сдвинутый по фазе относительно импульса предшествующего выхода триггера 1 на 1/8 своего периода.
IN
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/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 на входы первого сумматора 4, а сигналы COS1, COS2, COS3, COS4 со второй группы выходов - на входы второго сумматора 5. На выходах первого 4 и второго 5 сумматоров 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 первого 6 и второго 7 фильтров нижних частот соответственно. На выходах фильтров 6, 7 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 поступают на входы третьего 8 и четвертого 9 фильтров нижних частот соответственно. На выходах фильтров 8, 9 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 первого 10 и второго И повторителей напряжения, а также на входы первого 16 и второго 17 усилителей мощности. С выходов первого 10 и второго 11 повторителей напряжения сигналы SINB и COSB поступают соответственно на входы третьего 18 и четвертого 19 усилителей мощности. На выходах первого 16 и второго 17, третьего 18 и четвертого 19 усилителей мощности 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 первого 16, второго 17, третьего 18 и четвертого 19 усилителей мощности сигналы SinA, CosA, SinB и CosB поступают соответственно через элементы 12, 13, 14, 15 отрицательной обратной связи на входы третьего 8 и четвертого 9 фильтров нижних частот, первого 10 повторителя напряжения, второго 11 повторителя напряжения. Элементы 12, 13, 14, 15 отрицательной обратной связи обеспечивают высокую стабильность амплитуды выходных сигналов SinA, CosA, SinB и CosB, нагружаемых индуктивностями с динамически меняющимися полными их сопротивлениями.
Блок 20 ограничителей тока ограничивает токи, протекающие в сумматорах 4 и 5, активных фильтрах нижних частот 6, 7, 8, 9, повторителях напряжения 10 и 11, усилителях мощности 16, 17, 18, 19 во время воздействия ВВФ, предотвращая их пробой.
Количество каналов (пар синусных и косинусных сигналов) генератора двухфазных гармонических сигналов можно наращивать путем простого добавления следующих узлов на каждый дополнительный канал: дополнительные первый и второй повторители напряжения, дополнительные третий и четвертый усилители мощности, дополнительные третий и четвертый элементы отрицательной обратной связи, дополнительные четыре пары выходов блока 20 ограничителей тока. Все дополнительные блоки подключают к соответствующим выходам блока ограничителей тока. На фиг. 6 приведен пример реализации трехканального генератора двухфазных гармонических сигналов. Трехканальный генератор гармонических сигналов работает аналогично двуканальному.
Количество дополнительных каналов генератора двухфазных гармонических сигналов ограничивается только нагрузочными способностями операционных усилителей активных фильтров нижних частот 8 и 9.