ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
DOUBLE-CHANNEL GENERATOR OF HARMONIC SIGNALS

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для питания различных радиоэлектронных устройств и в, частности, для электропитания звуковоспроизводящей аппаратуры класса HiFi.
Известны формирователи гармонических колебаний на основе усилителей класса "D" или ключевых генераторов [1].
Основной недостаток таких генераторов, обладающих высокой энергетической эффективностью, заключается в широком спектре гармоник выходных колебаний.
Устранение этого недостатка возможно путем фильтрации гармоник до приемлемого уровня, с ухудшением при этом массогабаритных характеристик или синтезированием колебаний из нескольких импульсов, число которых, их амплитуда и угловые координаты выбираются так, чтобы исключить низкие гармоники [2].
Однако и в этом случае формирование гармонических колебаний с приемлемыми значениями нелинейных искажений не представляется возможным.
Радикально решить проблему возможно, если использовать усиление сформированного задающим генератором высококачественного синусоидального колебания, а неизбежное при этом ухудшение энергетической эффективности компенсировать использованием в качестве усилителя мощности двухтактного мостового преобразователя, работающего в режиме "АВ", и запитанного от двухполярного импульсного источника питания [3].
Для увеличения в целом надежности устройства распределение общей мощности производят по нескольким каналам с возможным, при необходимости (для повышения мощности), суммированием выходных сигналов обоих каналов устройства. Однако при независимом характере формирования и усиления гармонических сигналов, решение этой задачи проблематично из-за некогерентности выходных сигналов задающих генераторов, а также фазовой и амплитудной неидентичности усилительных каналов устройства.
Целью изобретения является уменьшение влияния фазовой и амплитудной неидентичности при суммировании выходных сигналов обоих каналов генератора.
Поставленная цель достигается тем, что в двухканальный генератор гармонических сигналов, каждый канал которого состоит из последовательно соединенных задающего генератора, предварительного усилителя, разделительного трансформатора, усилителя мощности и выходного трансформатора дополнительно введены первый и второй устройства согласования, входы которых соединены с выходами соответствующих каналов генератора, а выходы подключены ко входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей, тактируемые входы которых объединены и подключены к тактируемому выходу микропроцессора, входы которого соединены с информационными выходами АЦП, а выходы "Сброс", установка параметров: "Частота", "Амплитуда" и "Фаза" подключены к соответствующим входам задающих генераторов, выполненных по методу прямого цифрового синтеза с общим кварцевым резонатором, подключенным к соответствующим входам обоих задающих генераторов.
На чертеже приведена структурная схема устройства, которая состоит: из кварцевого генератора 1; первого и второго задающих генераторов DDS 2 и 3; предварительных усилителей 4 и 5; разделительных трансформаторов 6 и 7; усилителей мощности 8 и 9; выходных трансформаторов 10 и 11, устройств согласования 12 и 13; аналого-цифровых преобразователей 14 и 15; микропроцессора 16.
Принцип действия генератора следующий.
В начальным момент времени микропроцессор 16 устанавливает необходимые значения частоты, фазы и амплитуды выходных сигналов задающих генераторов 2 и 3.
Предварительные усилители 4 и 5 усиливают сигналы до необходимого уровня, которые через разделительные трансформаторы 6 и 7 поступают на управляющие входы (базы транзисторов) двухтактных усилителей мощности мостового типа 8 и 9. Основное назначение разделительных трансформаторов - гальваническая развязка и, при необходимости, повышение уровней сигналов, подаваемых на усилители мощности. Усиленные по мощности сигналы через выходные трансформаторы 10 и 11 поступают на выходные клеммы устройства. В зависимости от характера нагрузки выходной трансформатор может быть или понижающим, или повышающим. В частности, при применении генератора в качестве устройства сетевого напряжения выходной трансформатор должен быть повышающим.
Сигналы на выходных клеммах устройства в общем случае являются некогерентными с изменяющимся во времени фазовым сдвигом. Объясняется это, в первую очередь, отличием по частоте задающих генераторов, а также неравенством времени распространения сигналов по каждому из каналов устройства. Указанные недостатки устраняются следующим образом. Во-первых, задающие генераторы выполнены по схеме прямого цифрового синтеза с использованием одного общего кварцевого генератора и синхронизацией импульсов сброса по обоим генераторам. Во-вторых, при измерении параметров выходных сигналов устройства используется метод "трех отчетов", что позволяет непрерывно отслеживать изменение фазы и амплитуды выходного сигнала.
Действительно, если взять за любой произвольный i период сигнала первого канала три выборки:
где ϕ - искомый фазовый сдвиг; θ - фазовый сдвиг между выборками,
то после несложных тригонометрических преобразований микропроцессор 16 определяет значение фазы сигнала и его амплитуду в i периоде сигнала:
Аналогично, если взять три выборки за i период сигнала второго канала:
то в микропроцессоре 16 зафиксируется:
1
2
1
2
Сравнивая (2), (3) и (5), (6) определяем разность фаз ΔФ=Ф-Ф и разность амплитуд ΔU=U-U, характеризующие фазовую и амплитудную неидентичность каналов генератора. Сигнал фазовой и амплитудной ошибки с микропроцессора 16 поступает на генераторы 2 и 3, изменяя фазу и амплитуду их выходных сигналов таким образом, чтобы: lim ΔФ→0 и lim ΔU→0.
Необходимо подчеркнуть, что поскольку выборки по обоим каналам берутся непрерывно и синхронно, то произвольность начала измерения (первая выборка) не сказывается на погрешности измерения разности фаз двух сигналов.
Практические возможности предложенного технического решения определяются двумя факторами:
- точностью измерения разности фаз и амплитуд выходных сигналов устройства;
- разрешающей способностью регулирования по фазе задающих генераторов DDS.
Проведенные эксперименты с использованием АЦП AD7495, микропроцессора ATXmega128A1 и генератора DDS AD9834BRU показывают, что в диапазоне частот до 100 кГц реальная точность регулирования составляет 0,02-0,03°, что вполне достаточно для неискаженного суммирования выходных сигналов двухканальных генераторов, осуществляющих питание различных радиоэлектронных устройств.
Литература
1. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. - М., Связь., 1980, 209 С.
2. Дмитриков В.Ф., Петяшин Н.Б., Сиверс М.А. Высокоэффективные формирователи гармонических колебаний. М., Радио и связь, 1988, 192 С.
3. Цыкина А.В. Электронные усилители. М., Радио и связь. 1982. 288 С.