Двухфазный генератор
Союз Советских
Социалистических
Республик
ОП -ИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву— (22) Заявлено17.07.78 (21) 2647720/18-21 с присоединением заявки HP— (23) Приоритет—
Опубликовано 15.10Я0, Бюллетень Мо 38
Дата опубликования описания 151030 (51)М. Кл.з
Государственный комитет
СССР по делам изобретений и открытий
Н 03 К 13/02 (53) УДК 621. 374 (088.8) (72) Авторы изобретения
В.A.Èoêðèöêèé и Ю.Б.Сигунов (71) Заявитель (4) ДВУХФАЗНЫЙ ГЕНЕРАТОР
Изобретение относится к области электроизмерительной техники, преимущественно к области генерирования сигналов низкой и инфранизкой частоты, и может быть использовано в приборостроении при создании двухфазных генераторов напряжений в диапазоне низких и инфранизких частот.
Известны различные схемы построения двухфазных генераторов, основан- 10 ные на преобразовании частоты и выделении биений, и содержащие фильтры, усилители, задающий генератор, и обладающие недостаточной стабильностью выходной частоты (1) . 15
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является двухфазный генератор (21, структурная схема которого содержит задающий генератор, фазовращатель, преобразова- 9 тели частоты, вспомогательный генератор, фильтры нижних частот и выходные усилители (фильтры нижних частот включены в состав преобразователей частоты). В известном двухфазном ге- 25 нераторе выходные напряжения задающего генератора и азовращателя подаются соответственно на сигнальные входы преобразователей частоты. На управляющие входы этих преобразовате-30 лей подается напряжение вспомогательного генератора, частоту которого можно перестраивать. Раэностная частота (биения частот задающего и вспомогательного генераторов) на выходе преобразователей выделяется с помощью фильтров нижних частот и усиливается выходными усилителями. т1ри идентичности каналов, каждый из которых содержит преобразователь частоты, фильтр нижних частот и выходной усилитель, сдвиг фаз между выходными напряжениями двухфазного генератора равен сдвигу фаэ между напряжениями, подаваемыми на сигнальные входы преобразователей частоты.
Диапазон изменения частоты выходных напряжений двухфазного генератора на биениях будет таким же, как и диапазон изменения частоты сигнала перестраиваемого генератора.
Основным недостатком такого двухфазного генератора на биениях является высокая нестабильность частоты выходных напряжений.
Незначительные отклонения частот генераторов от номинальных значений за счет дестабилиэируищих факторов ! приводят к значительным изменениям частоты выходных колебаний. Чем выше
771868 частоты исходных колебаний задающего и вспомогательного генераторов и чем ниже частота выходных колебаний,тем больше относительная нестабильность последних.
Трудность обеспечения стабильности частоты выходных колебаний в основном и ограничивает применение двухфазных генераторов на биениях в диапазоне низких и инфранизких частот.
Другой недостаток двухфазного генератора на биениях заключается в невысокой стабильности амплитуды получаемых ныходных напряжений, проявляющейся в основном вследствие низкой температурной и временной стабиль 15 ности применяемых в смесителях нелинейных элементов, а также непостоянства амплитуд выходных напряжений задающего и вспомогательного генераторов. 20
Недостатком генератора на биениях следует также считать сравнительно большое время установления параметров выходных колебаний (-амплитуды, фазы, частоты) при включении и перестройке частоты генератора. Причиной этого является постоянная времени фильтров нижних частот, применяемых на выходах смесителей, величина которой, обычно, значительно превосходит величину периода преобразуемого напряжения.
Целью изобретения является повышение стабильности частоты и амплитуды выходных напряжений, двухфазного генератора, а также сокращение времени их 35 установления.
Поставленная цель достигается тем, что в двухфазный генератор, содержащий задающий генератор, подключенный к фазонращателю, два преобразователя 40 частоты, сигнальный вход одного из которых подключен к выходу задающего генератора, а другого — к выходу фазовращателя, два фильтра нижних частот, входы которых связаны с выходами преобразователей частоты, а выходы — co входами двух выходных усилителей, введены одновибратор и устройство запуска, включающее в себя четы:ре сравнивающих устройства, два резистора, четыре элемента НЕ, четыре дифференцирующие цепи, реле с четырьмя переключающими контактами, четыре элемента И и элемент ИЛИ, при этом преобразователи частоты своими управляющими входами подключены к выходу 55 одновибратора, вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ устройства запуска; первые входы первого и второго сравнивающих устройств связаны соответственно с сигнальными нходами первого и второго преобразователей частоты, а их вторые входы — соответственно с выходами преобразователей частоты, выходы первого и втор го преобразователей частоты соединены соответственно с первым и втооым входами третьего сравнивающего устройства и одними выводами резисторов, другие выводы которых подключены к первому входу четвертого сравнивающего устройства, второй вход которого подключен к общей шине; выходы первого и нторого сравнивающих устройств соединены соответственно через первую и третью дифференцирующие цепи с первым и третьим поднижными контактами и через последовательные соединения — первого элемента НЕ, второй дифференцирующей цепи и второго элемента НЕ, четвертой дифференцирующей цепи — соответственно со вторым и четвертым подвижными контактами реле, обмотка которого включена между управляющим выходом фазовращателя и общей шиной; выход третьего сравнивающего устройства связан непосредственно со вторыми входами первого и третьего элементов И и через третий элемент НŠ— co вторыми входами второго и четвертого элементов И, выход четвертого сравнивающего устройства соединен непосредственно с третьими входами второго и третьего элемента И и через четвертый элемент НŠ— с третьими входами первого и четвертого элеме-. нтов И; первые входы первого, нторого, третьего, четвертого элементов И соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым нормально замкнутыми и вторым, первым, четвертым, третьим нормально разомкнутыми неподвижными контактами реле, à выходы каждого из элементов И подключены ко входам элемента ИЛИ.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого двухфазного генератора; на фиг.2 — одна из возможных схем аналогового запоминающего устройства, используемого в качестве преобразователя частоты; на фиг.3 .— временные диаграммы, поясняющие йринцип работы описываемого двухфазного генератора (представлен случай, когда вносимый фазовращателем фазовый сдвиг больше 0 и меньше 18(Г» .
Двухфазный генератор содержит задающий генератор 1, фазовращатель 2, два преобразователя частоты 3 и 4, два фильтра нижних частот 5 и 6, два выходных усилителя 7 и 8, одновибратор 9, схему 10 запуска, включающую в себя четыре устройства сравнения
11,12,13 и 14, два резистора 15 и 16, четыре элемента НЕ 17, 18,19 и 20, четыре дифференцирующие цепи 21,22, 23 и 24, реле 25 с четырьмя переключающими контактами, четыре элемента
И 26,27„28 и 29 и элемент ИЛИ 30.
Выход задающего генератора 1 связан с сигнальным входом преобразователя частоты 3 и входом фазонращателя 2, выход которого подключен к сигнальному входу преобразователя частоты 4. Выходы обоих преобразователей
771868 частоты 3 и 4 соединены соответственно с фильтрами 5 и 6 нижних частот, которые в свою очередь своими выходами связаны со входами выходных усилителей 7 и 8. Управляющие входы обоих преобразователей частоты 3 и 4 подключены к выходу одновибратора 9, вход которого связан с выходом элемента ИЛИ схемы 10 запуска. Первые входы сравнивающих устройств 11 и 12 связаны соответственно с сигнальными входами преобразователей частоты 3 и 4, а их вторые входы — соответственно с выходами укаэанных преобразователей частоты.
Кроме этого выходы преобразователей частоты 3 и 4 связаны соответственно с первым и вторым входами сравнивающего устройства 13 и левыми выводами резисторов 15 и 16,правые выводы которых подключены к первому входу сравнивающего устройства 14, второй вход которого подключен к общей шине. Выходы сравнивающих устройств 11 и 12 соединены соответственно через дифференцирующие цепи
21 и 23 с первым и третьим подвижными контактами, а также через последовательные соединения элемента НЕ 17, дифференцирующей цепи 22 и элемента
НЕ 18, дифференцирующей цепи 24 соответственно со вторым и четвертым подвижными контактами реле 25,обмотка которого включена между управляющим выходом фазовращателя 2 и общей шиной. Выход сравнивающего устройства
13 связан непосредственно со вторыми входами элементов И 26, 28 и через элемент НЕ 19 — с вторыми входами элементов И 27,29. Выход сравнивающего устройства 14 соединен непосредственно с третьими входами элементов
И 27,28, и через элемент HF, 20 — с третьими входами элементов И 26,29.
Первые входы элементов И 26,27,28,29 связаны соответственно с первым нормально замкнутым и вторым нормально разомкнутым,со вторым нормально замкнутым и первым нормально разомкнутым, с третьим нормально замкнутым и четвертым нормально разомкнутым, с четвертым нормально замкнутым и третьим нормально разомкнутым неподвижными контактами реле 25, а выходы каждого из элементов И 26,27,28,29 подключены ко входам элемента ИЛИ
30.
Преобразователи частоты могут быть выполнены в виде аналогового запоминающего устройства (фиг.2), содержащего аналоговый ключ 31, выход которого соединен с входом буФерного усилителя 32 и верхней обкладкой конденсатора 33,нижняя обкладка которого заземлена.
Сигнальным входом аналогового запоминающего устройства является левый электрод ключа 31, а его выходом — выход буферного усилителя 32;
1О
И управляющим входом аналогового запоминающего устройства является управляющий вход ключа 31 (затвор полевого транзистора).
На временных диаграммах (Фиг.3) введены обозначения: U„ — напряжение на выходе задающего генератора 1;
U — напряжение на выходе фазовра2. щателя 2; U>, U4 — соответственно напряжения на выходах аналоговых запоминающих устройств 3 и 4; U,,U4,U
1 2. 1 3
U„4 - соответственно н апряже ни д н а вйходах сра в н ив ающих устройств 1 1, 1 2, 13, 14; U 6, Q, U2II, Ugg — соответственно напряжения на выходах элементов И 26, 27, 28, 29; 0 — напряжение на выходе одновибратора 9; t> — длительность импульса одновибратора. На диаграммах выходных напряжений сравнивающих устройств 11 и 12 жирными линиями выделены фронты, из которых формируются импульсы запуска одновибратора. На диаграммах выходных напряжений элементов И 26,27,28 и 29 жирными линиями выделены запускающие импульсы, которые запускают одновибратор, а тонкими — запускающие импульсы, не вызывающие запуска одновибратора.
Состояние "1" обозначено положительным потенциалом, а "0" — нулевым.
Двухфазный гейератор работает следующим образом.
Генерируемое задающим генератором 1 напряжение 0„, частота которого, обычно, выбирается на несколько порядков выше желаемой частоты двухфазного генератора, подается одновременно на вход фазовращателя 2 и сигнальный вход первого преобразователя частоты 3. С помощью фазовращателя 2 фазу выходного напряжения можно сдвигать IIo отношению к входному на угол о от 0 до 360 . Разницу фаз д f выходного и входного напряжений фазовращателя можно представить уравнением (= 1- +1 где Ч, ф — соответственно начальные фазы выходного и входноХ 1 го напряжений фазовращателя.
При установке фазового сдвига в пределах 0(дЧ<180 реле 25 обесточено и его подвижные контакты замыкаются с соответствующими верхними неподвижными контактами, как показано на фиг.1. В случае установки фазового сдвига в пределах 180 (д9<360 с управляющего выхода фазовращателя на обмотку реле 25 подается питание и его подвижные контакты замыкаются с соответствующими нижними неподвижными контактами.
Выходное напряжение U фазовраща— теля подается на сигнальный вход второго преобразователя частоты 4. На управляющие входы запоминающих устройств подаются короткие импульсы с выхода одновибратора 9, открывающие ключи обоих преобразователей часто771868 ты 3 и 4. Во время воздействия импульса одновибратора напряжение на конденсаторах преобразователей частоты следит эа входным напряжением.
С исчезновением импульса одновибратора оба преобразователя частоты переходят в режим хранения, и до прихода следующего импульса одновибратора на их выходах сохраняются уровни напряжений, соответствующие мгновенным значениям входных напряжений в момент окончания импульса одновибратора. Для запуска одновибратора используются запускающие импульсы, Формируемые схемой 10 запуска из передних и задних Фронтов выходных импульсов сравнивающих устройств 11 и 12, которые принимают состояние
"1" э случае, когда напряжение на входах соответствующих преобразователей частоты 3 и 4 превышает напряжение на их выходах, т.е. когда пер- Я9 вые входы сравнивающих устройств находятся под более высоким потенциалом, чем их вторые входы. Если же уровень напряжения на первом входе ниже уровня напряжения на втором вхо- yg де, то соответствующее сравнивающее устройство находится в состоянии "0".
Формирование запускающих импульсов из передних фронтов сравнивающих устройств 11 и 12 осуществляется соответственно дифференцирующими цепями
21 и 23, а из задних Фронтов — соответственно последовательными соединениями элемента НЕ 17, дифференцирующей цепи 22 и элемента НЕ 18, дифференцирующей цепи 24. С выходов дифференцирующих цепей 21,22,23 и
24 запускающие импульсы подаются через соответствующие нормально замкнутые верхние контакты реле в случае,. когда 0<л%<180, соответственно 49 на первые входы элементов И 26,27, 28,29 и в случае, когда 180 (ь Ф(360 через соответствующие нормально разомкнутые нижние контакты реле, в случае, когда 180(ß 360 соответственно на первые входы элементов
И 27,26,29,28.
Однако, на входы элемента ИЛИ 30 в каждый момент времени запускающие импульсы пропускаются только одним элементом И, — тем, второй и третий входы которого находятся под цотенциалами "1", получаемыми с выходов сравнивающих устройств 13 и 14 непосредственно или через элементы
НЕ 19 и 20. Сравнивающее устройство
13 находится в состоянии "1", когда выходное напряжение U< первого преобразователя частоты 3 больше выходного напряжения 0 преобразователя частоты 4, и наоборот — в состоянии
"0", когда U C U4 . Сравнивающее устройство 14 находится в состоянии "1", когца сумма U>+U4>0 и наоборот — в
СОстоянии 0 кОГДа сумма U> +U4 ) 0
Такая логика работы сравнивающих устройств 13 и 14 приводит к тому, что элементами И 26,27,28,29 выделяются зайускающие импульсы от того сравнивающего устройства (11 или 12), кото рое в данный момент времени работает на более крутом участке напряжения задающего генератора. Это дает возможность повысить стабильность следования запускающих импульсов, поскольку уменьшается погрешность, вызываемая неопределенностью момента срабатывания сравнивающего устройства. В случае 0(аЧ (180 запускающие импульсы, сформированные из передних фронтов выходных импульсов сравнивающих устройств 11 и 12, выделяются соответственно элементом И 26 в промежутки.. времени, когда сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состоянии
"1" и "0" и элементом И 28 в промежутки времени, когда оба срабатывающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях "1",а запускающие импульсы, сформированные из задних фронтов выходных импульсов сравнивающих устройств 11 и 12 выделяются соответственно элементом И 27 в промежутки времени, когда сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях "0" и "1", и элементом И 29 B промежутки времени, когда оба сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях "0". В случае 180 <дЧ(360 запускающие импульсы, сформированные из передних фронтов выходных импульсов сравнивающих устройств 11 и 12, выделяются соответственно элементом И 27 в промежутки времени, когда сравнивающие устройс тва 13 и 14 находятся в состояниях
"0" и "1" и элементом И 29 в промежутки времени, когда оба сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях "0", а запускающие импульсы, сформированные из задних фронтов выходных импульсов сравнивающих устройств 11 и 12, выделяются соответственно элементом И 26 в промежутки времени, когда сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях
"1" и "0" и элементом И 28, когда оба сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состоянии "1". В результате этого каждый из указанных элементов И пропускает пачку запускающих импульсов, соответствующую определенным участкам формируемых выходных напряжений. Так, на Фиг.3,представляющей случай, когда 0(йЧ(180 в промежутке времени, когда выходы обоих сравнивающих устройств 13 и
14 находятся в состоянии "1", пачку запускающих импульсов выдает элемент
И 28. В это время формируется вершина положительной полуволны напряжения
U3 и восходящий участок напряжения
U . Запускающие импульсы Формируются от передних фронтов выходных импуль4 сов сравнивающего устройства 12. В промежутке вермени,когда сравниваю«ие
771868
10 устройства 13 и 14 находятся в состояниях соответственно. "0" и "1",пачку запускающих импульсов выдает элемент
И 27. В это время формируется нисходящий участок напряжения U и положи-
3 тельная вершина U q . Запускающие импульсы формируются от задних фронтов сравнивающего устройства 11. B промежутке времени, когда оба сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состоянии "0", пачку запускающих импульсов выдает элемент И 29. В это время формируется отрицательная вершина напряжения U3 и нисходящий участок U4, запускающие импульсы формируются от задних фронтов сравнивающего устройства 12. В промежутке време- 15 ни, когда сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях соответственно "1" и "0", пачку запускающих импульсов выдает элемент И 26. В это время формируется восходящий участок 26
U и отрицательная вершина U4, запускающие импульсы формируются от передних фронтов сравнивающего устройства
11. Дальше сравнивающие устройства
13 и 14 переходят в состояния "1" и начинает формироваться следующий период вьжодных сигналов, — процесс повторяется. о о
В случае 180(4Ч с360 меняется последовательность работы элементов И, а принцип формирования выходных сигналов остается тем же.
В моменты времени, сразу же после смены состояния какого-либо иэ сравнивающих устройств 13 или 14, с выхода элемента И, который принял состояние "1" по второму и третьему входу, возможно прохождение одного паразитного запускающего импульса (на фиг.3 такие импульсы показаны тонкими линиями), совпадающего во ® времени с импульсом, выдаваемым одновибратором 9, вследствие его запуска последним запускающим импульсом из предыдущей пачки. Такой параэитный запускающий импульс не приводит к 4 повторному запуску одновибратора, поскольку в последнем не закончены восстановительные процессы, т.е. периодичность следования импульсов оцновибратора не нарушается.
Период повторения импульсов на выходе одновибратора 9 равен сумме периода напряжения задающего генератора и длительности импульса одновибратора.
Частоту выходных напряжений можно изменять, изменяя частоту задающего генератора или длительность импульса одновибратора.
Относительная нестабильность частоты — выходных напряжений описыва- ®О
Г емого двухфазного генератора определяется выражением р д аЬ
Ь
4 Ф где - -. и — соответственно отноС ь .
1 сительные нестабильности частоты задающего генератора и длительности импульса одновибратора.
Предлагаемый двухфазный генератор позволяет на несколько порядков повысить стабильность частоты генерируемых напряжений по сравнению с двухфазными генераторами, в которых используется независимый вспомогательный генератор.
Эта нестабильность не возрастает с увеличением отношения частот что наблюдается в двухфазных генераторах с применением вспомогательного генератора. Последнее обстоятельство дает возможность в значительной степени расширить частотный диапазон генерируемых напряжений в сторону инфранизких частот.
Другим важным преимуществом описываемого двухфазного генератора по сравнению с прототипом является более высокая стабильность амплитуды генерируемых напряжений, поскольку исключен из схемы вспомогательный генератор, нестабильность амплитуды которого сказывается на нестабильности амплитуды выходного напряжения.
Кроме того, в предлагаемом двухфазном генераторе возможно применение более быстродействующих фильтров нижних частот или даже их исключение из схемы, обусловленное значительным подавлением паразитных комбинационных частот в самих преобразователях частоты — аналоговых запоминающих устройствах, что позволяет повысить быстродействие генератора, т.е. сократить время установления его выходных параметров при включении и перестройке частоты.
Формула изобретения
Двухфазный генератор, содержащий задающий генератор, подключенный к фазовращателю, два преобразователя частоты, сигнальный вход одного из которых подключен к выходу задающего генератора, а другого — к выходу фазовращателя, два фильтра нижних частот, входы которых связаны с выходами преобразователей частоты, а выход со входами двух выходных усилителей, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности частоты и амплитуды выходных напряжений, а также сокращения времени их установления, в него введены одновибратор и устройство запуска, включающее в себя четыре сравнивающих устройства, два резистора, четыре элемента НЕ, четыре дифференцирующие цепи, реле с четырьмя переключающими
771868
12 контактами, четыре элемента И и эле-! .мент ИЛИ, при этом преобразователи частоты своими управляющими входами подключены к выходу одновибратора, вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ устройства, запуска, первые входы первого и второго сравнивающих устройств связаны соответственно с сигнальными входами первого и вто рого преобразователей частоты, а их вторые входы — соответственно с выходами-преобразователей частоты, выходы первого и второго преобразователей частоты соединены соответственно с первым и вторым входами третьего сравнивающего устройства и одними выводами резисторов, другие выводы 15 которых подключены к первому входу четвертого сравнивающего устройства, второй вход которого подключен к общей шине„ выходы первого и второго сравнивающих устройств соединены со" 2О ответственно через первую и третью дифференцирующие цепи с первым и третьим подвижными контактами, и через последовательные соединения первого элемента НЕ, второй дифференцирующей цепи и второго элемента НЕ, четвертой дифференцирующей цепи— соответственно со вторым и четвертым подвижными контактами реле, обмотка которого включена между управляющим выходом фазовращателя и общей шиной, выход третьего сравнивающего устройства связан непосредственно со вторыми входами первого и третьего элементов И и через третий элемент НЕ— со вторыми входами второго и четвертого элементов И, выход четвертого сравнивающего устройства соединен непосредственно с третьими входами второго и третьего элемента И и через четвертый элемент НŠ— с третьими входами первого и четвертого элементов И, первые входы первого,второго, третьего, четвертого элементов
И соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым нормально замкнутыми и вторым, первым, четвертым, третьим нормально разомкнутыми неподвижными контактами реле, а выходы каждого из элементов И подключены ко входам элемента ИЛИ.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Вавилов А.A. и Солодовников A.È.
Экспериментальное определение частотных характеристик автоматизированных систем, "Госэнергоиэдат", N., 1963, с.184-222;
2. Колтик E.Д. Измерительные двухфазные генераторы переменного то-.:а.
Изд."Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при СМ СССР", М., 1968, с.7-15.
771868 хад
9оФ улр иг.г
I I
12 1 !
14
I и„ гв 1 гв
1иг.3
Составитель Л.Колосков
Редактор Н.Каменская Техред А. Ач КорректорГ.Назарова
Заказ 6718/71 Тираж 995 Подписное
ВНИИПЙ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5
Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðoä, ул.Проектная,4
