ГЕНЕРАТОР ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ИМПУЛЬСОВ
PULSE SEQUENCE GENERATOR

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 №2718218 приоритет от 29.08.2019 г. «Генератор последовательностей импульсов», Авторы: Фатин В.Н., Потапов А.К., МПК Н03К 3/84, опубликовано 31.03.2020 г. Бюл. №10) содержащий делитель частоты, генератор адресов выборок, элемент задержки, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), RC-цепь, буферный регистр, первый формирователь выходных импульсов, второй формирователь выходных импульсов, внешний источник опорных напряжений. Вход делителя частоты является входом генератора последовательностей импульсов, а выход соединен с входом элемента задержки и входом генератора адресов выборок. Группа выходов генератора адресов выборок соединена с группой адресных входов ПЗУ. Группа выходов ПЗУ соединена с группой входов буферного регистра. Первый управляющий вход буферного регистра соединен с выходом элемента задержки, а второй управляющий вход соединен с выходом RC-цеии. Первый и второй выходы буферного регистра соединены соответственно с первым и вторым входами первого формирователя выходных импульсов, а третий и четвертый выходы соединены соответственно с первым и вторым входами второго формирователя выходных импульсов. Выходы первого и второго формирователей выходных импульсов являются соответствующими первым и вторым выходами генератора последовательностей импульсов. Каждый формирователь выходных импульсов содержит первый и второй формирующие элементы, блок ограничителей тока. Первые входы первого и второго формирующих элементов являются соответственно первым и вторым входами соответствующего формирователя выходных импульсов. Вторые входы первых формирующих элементов соединены с первыми входами блоков ограничителей тока и являются первым входом питания формирователя выходных импульсов. Вторые входы вторых формирующих элементов соединены со вторыми входами блока ограничителей тока и являются вторым входом питания формирователя выходных импульсов. Первый и второй вход питания формирователя выходных импульсов подключают соответственно к выходам внешнего источника опорных напряжений. Первый и второй выходы каждого блока ограничителей тока соединены соответственно с входами питания соответствующего первого формирующего элемента, а третий и четвертый выходы - соединены соответственно с входами питания соответствующего второго формирующего элемента, выходы каждых первого и второго формирующих элементов объединены и являются выходом соответствующего формирователя выходных импульсов. Данное устройство выбрано в качестве наиболее близкого аналога.
Недостатком известного устройства является отсутствие в нем защиты от сверхбольших выходных импульсных токов (превышающих значения в десятки ампер), возникающих в его формирующих элементах и приводящих к выходу их из строя при:
- подключении в качестве нагрузки электромеханического привода (например, вентильного двигателя), отрабатывающего, кроме прочих, такие «тяжелые» режимы работы, как «Разгон», «Торможение», «Реверс»;
- возникновении короткого замыкания на выходе генератора последовательностей импульсов;
- иных нештатных (аварийных) ситуациях.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании генератора последовательностей импульсов со следующими характеристиками:
- содержащего не менее трех каналов генерирования импульсов;
- обладающего возможностью независимо в каждом канале простого способа наращивания мощности выходных импульсов;
- требующего для формирования выходных двухполярных импульсов источника постоянных напряжений не более чем с двумя опорными номиналами (U1 и U2);
- имеющего защиту от сверхбольших выходных токов;
- 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.
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 входом генератора адресов выборок, группа выходов которого соединена с группой входов постоянного запоминающего устройства, группа выходов которого соединена с группой входов буферного регистра, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами первого формирователя выходных импульсов, а третий и четвертый выходы соединены с первым и вторым входами второго формирователя выходных импульсов, при этом каждый формирователь выходных импульсов содержит блок ограничителей тока и первый и второй формирующие элементы, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами соответствующего формирователя выходных импульсов, второй вход каждого первого формирующего элемента соединен с первым входом соответствующего блока ограничителей тока и является первым входом питания формирователя выходных импульсов, второй вход каждого второго формирующего элемента соединен со вторым входом соответствующего блока ограничителей тока и является вторым входом питания формирователя выходных импульсов, первый и второй выходы каждого блока ограничителей тока соединены соответственно с входами питания соответствующего первого формирующего элемента, а третий и четвертый выходы - соединены, соответственно, с входами питания соответствующего второго формирующего элемента, выходы каждых первого и второго формирующих элементов объединены и являются выходом соответствующего формирователя выходных импульсов, новым является то, что дополнительно введены третий формирователь выходных импульсов, первый, второй и третий датчики тока, источник опорного напряжения, выпрямитель-сумматор, фильтр помех, пороговое устройство, формирователь запрета работы формирующих элементов, пятый и шестой выходы буферного регистра соединены с первым и вторым входами третьего формирователя выходных импульсов, при этом выход каждого формирователя выходных импульсов 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 источника опорного напряжения.
Повышение надежности достигается защитой от сверхбольших выходных токов, обеспечиваемой введением датчиков тока, источника опорного напряжения, выпрямителя-сумматора, фильтра помех, порогового устройства и формирователя запрета работы формирующих элементов.
Введение защиты от сверхбольших выходных токов обеспечивает возможность подключения в качестве нагрузки электромеханического привода, работающего в различных режимах, что расширяет функциональные возможности генератора последовательностей импульсов.
Три канала генерирования импульсов достигается введением дополнительно третьего формирователя выходных импульсов.
Наращивание мощности выходных импульсов в каждом канале может достигаться простым добавлением необходимого количества формирующих элементов (и соответствующего количества выходов блока ограничителей тока), включаемых параллельно имеющимся формирующим элементам.
Сохранение работоспособности с заданными электрическими характеристиками в условиях воздействия ВВФ достигается благодаря выработанным схемотехническим решениям, в которых применяются только стойкие к ВВФ ЭРИ (электрорадиоизделие), а также применением блоков ограничителей тока.
На фиг. 1 представлена функциональная схема трехканального генератора последовательностей импульсов. На фиг. 2 представлены диаграммы выходного импульсного сигнала Uout и сигнала запрета работы формирующих элементов.
Генератор последовательностей импульсов (фиг. 1) содержит делитель 1 частоты, генератор 2 адресов выборок, постоянное запоминающее устройство (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, источник 21 опорного напряжения, выпрямитель-сумматор 22, фильтр 23 помех, пороговое устройство 24, формирователь 25 запрета работы формирующих элементов.
Вход делителя 1 частоты является входом генератора последовательностей импульсов, а выход соединен с входом генератора 2 адресов выборок. Группа выходов генератора 2 адресов выборок соединена с группой адресных входов (Al-Aj) ПЗУ 3. Группа выходов ПЗУ 3 соединена с группой входов (D1-D6) буферного регистра 4.
Первый и второй выходы буферного регистра 4 соединены, соответственно, с первым и вторым входами первого формирователя 5 выходных импульсов, третий и четвертый выходы соединены, соответственно, с первым и вторым входами второго формирователя 6 выходных импульсов, а пятый и шестой выходы соединены, соответственно, с первым и вторым входами третьего формирователя 7 выходных импульсов. Выходы первого 5, второго 6 и третьего 7 формирователей выходных импульсов соединены с входами первого 18, второго 19 и третьего 20 датчиков тока, соответственно, и являются соответствующими первым (Uout1), вторым (Uout2) и третьим (Uout3) выходами генератора последовательностей импульсов.
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 (IN) первого 9 (11, 13) и второго 10 (12, 14) формирующих элементов являются, соответственно, первым и вторым входами соответствующего формирователя 5 (6, 7) выходных импульсов.
Вторые входы первых формирующих элементов 9, 11, 13 соединены, соответственно, с первыми входами блоков ограничителей тока 15, 16, 17 и являются первым входом питания формирователя выходных импульсов. Вторые входы вторых формирующих элементов 10, 12, 14 соединены, соответственно, со вторыми входами блока ограничителей тока 15, 16, 17 и являются вторым входом питания формирователя выходных импульсов. Первый и второй вход питания формирователя выходных импульсов подключают соответственно к выходам внешнего источника 8 опорных напряжений.
Первый и второй выходы каждого блока ограничителей тока 15 (16, 17) соединены, соответственно, с входами питания соответствующего первого формирующего элемента 9 (11, 13), а третий и четвертый выходы - соединены, соответственно, с входами питания соответствующего второго формирующего элемента 10 (12, 14), выходы каждых первого 9 (11, 13) и второго 10 (12, 14) формирующих элементов объединены и являются выходом соответствующего формирователя 5 (6, 7) выходных импульсов.
Выход каждого датчика тока 18 (19, 20) соединен с соответствующим входом выпрямителя-сумматора 22. Выход выпрямителя-сумматора 22 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. Второй вход порогового устройства 24 соединен с выходом источника 21 опорного напряжения.
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.
Источник 21 опорного напряжения 21 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.
Источник опорного напряжения 21, пороговое устройство 24 и формирователь запрета 25 могут быть реализованы на одной микросхеме ШИМ-контроллера.
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 1N» 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 Uou1l, 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 - компаратора. Пороговое устройство сравнивает сигнал на первом своем входе с опорным напряжением на втором своем входе. При превышении входным сигналом порогового значения (опорного) напряжения, компаратор «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 (см. фиг. 2). Это предотвращает выходы из строя формирующих элементов генератора последовательностей импульсов.