Двухфазный генератор

Союз Советских Социалистических РеспубликОП ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ оц 771868 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(51)М. Кл. Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(14) ДВУХФАЗНЫЙ ГЕНЕРАТОР Изобретение относится к области электроизмерительной техники, преимущественно к области генерирования сигналов низкой и инфранизкой частоты, и может быть использовано в при боростроении при создании двухфазных генераторов напряжений в диапазоне низких и инфранизких частот.Известны различные схемы построения двухфазных генераторов, основан ные на преобразовании частоты и выделении биений, и содержащие фильтры, усилители, задающий генератор, и обладающие недостаточной стабильностью выходной частоты 1, 15Наиболее близким по технической сущности к изобретению является двух" фаэный генератор 21, структурная схема которого содержит задающий генератор, фазовращатель, преобразова тели частоты, вспомогательный генератор, фильтры нижних частот и выходные усилители (Фильтры нижних частот включены в состав преобразователей частоты). В известном двухфазном ге нераторе выходные напряжения задающего генератора и азовращателя подаются соответственно на сигнальные входы преобразователей частоты. На управляющие входы этих преобразователей 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 иусиливается выходными усилителями, т 1 ри 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 факторовприводят к значительным изменениямчастоты выходных колебаний. Чем вышечастоты 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 ге нератора на биениях заключается в невысокой стабильности амплитуды получаемых ныходных напряжений, проявляющейся в основном вследствие низкой температурной и временной стабилв 15 ности применяемых в смесителях нелинейных элементов, а также непостоянства амплитуд выходных напряжений задающего и вспомогательного генераторов, 20Недостатком генераторана 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 на- З 0 пряжения.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 0 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 - со 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 вторго 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 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 НЕ - 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, а 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(б.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 26,2728 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 преобразователейчастоты 3 и 4 соединены соответственно с фильтрами 5 и б 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 1 б,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 элементаНЕ 18, дифференцирующей цепи 24 соответственно со вторым и четвертымподвижными 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 НЕ 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 эле.трод ключа 31, а его выходом - выход буферного усилителя 32; 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 И управляющим входом аналогового запоминающего устройства является управляющий вход ключа 31 (затвор полевого транзистора).На временных диаграммах (Лиг.З) введены обозначения: О - напряжение на выходе задающего генератора 1;О - напряжение на выходе ФазовраХщателя 2; О,О 4 - соответственно напряжения на выходах аналоговых запоминающих устройств 3 и 4; О ,О 4,О 3,11 411 13 ф О 4 - соответственно напряженид на вйходах сравнивающих устройств 11,12, 13,14; О 6,О,О 2 О 29 - соответственно напряжения на выходах элементов И 26, 27,28,29; О - напряжение на выходе одновибратора 9; с - 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 О, 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 по отношению к входному на уголоот 0 до 360 . Разницу фазавыходного и входного напряжений Фазовращателя можно представить уравнениемф = 1-+1где ф ,Ч - соответственно начальныефазы выходного и входного напряжений фазовращателя.При установке Фазового сдвига в пределах 0(66180 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 (д 9360с управляющего выхода фазовращателя на обмотку реле 25 подается питание и его подвижные контакты замыкаются с соответствующими нижними неподвижными контактами.Выходное напряжение О фазовращателя подается на сигнальный вход второго преобразователя частоты 4. На управляющие входы запоминающих устройств подаются короткие импульсы с выхода одновибратора 9, открывающие ключи обоих преобразователей частоты 3 и 4. Во время воздействия им. пульса одновибратора напряжение наконденсаторах преобразователей частоты следит эа входным напряжением.С исчезновением импульса одновибратора оба преобразователя частоты переходят н режим хранения, и до прихода следующего импульса одновибратора на их выходах сохраняются уровни напряжений, соответствующие мгновенным значениям входных напряженийв момент окончания импульса одновибратора. Для запуска одновибратораиспользуются запускающие импульсы,Формируемые схемой 10 запуска изпередних и задних фронтон выходныхимпульсов сравнивающих устройств 11 15и 12, которые принимают состояние"1" э случае, когда напряжение навходах соответствующих преобразователей частоты 3 и 4 превышает напряжение на их выходах, т.е. когда первые входы сравнивающих устройств находятся под более высоким потенциалом, чем их вторые входы. Если жеуровень напряжения на первом входениже уровня напряжения на втором входе, то соответствующее сравнивающееустройство находится в состоянии "0".Формирование запускающих импульсовиз передних фронтов сравнивающих устройств 11 и 12 осуществляется соответственно дифференцирующими цепями21 и 23, а из задних фронтов - соответственно последовательными соединениями элемента НЕ 17, дифференцирующей цепи 22 и элемента НЕ 18,дифференцирующей цепи 24. С выходовдифференцирующих цепей 21,22,23 и24 запускающие импульсы подаютсячерез соответствующие нормально замкнутые верхние контакты реле в случае,. когда 0(д%180, соответственно 40на первые входы элементов И 26,27,28,29 и в случае, когда 180(ьФ(360через соответствующие нормально разомкнутуе нижние контакты реле, вслучае, когда 180(дй 360 соответственно на первые входы элементовИ 27,26,29,28.Однако, на входы элемента ИЛИ 30в каждый момент времени запускающиеимпульсы пропускаются только однимэлементом И, - тем, второй и третийвходы которого находятся под потенциалами "1", получаемыми с выходовсравнивающих устройств 13 и 14 непосредственно или через элементыНЕ 19 и 20. Сравнивающее устройство13 находится в состоянии "1", когдавыходное напряжение О первого преобразователя частоты 3 больше выходного напряжения О 4 преобразователячастоты 4, и наоборот - в состоянии"О", когда О( О 4 . Сравнивающее устройство 14 находится в состоянии "1",когца сумма О 3+О 4 ЪО и наоборот - всостоянии "0", когда сумма О+О 4)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(д 9(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 н промежутки времени, когда оба срабатывающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях "1",а запускающие импульсы, сформированные из задних Фронтов выходных импульсон 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 в промежутки времени, когда оба сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях "О". 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 устройсгва 13 и 14 находятся н 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 фронтон выходных импульсов сравнивающих устройств 11 и 12, выделяются соответственно элементом И 26 н 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(ЬЧ(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 ОЗ и восходящий участок напряжения О . Запускающие импульсы Формируются от передних фронтов выходных импульсов сравнивающего устройства 12, В промежутке вермени,когда сравнивающиеустройства 13 и 14 находятся в состояниях соответственно."0" и "1",пачку запускающих импульсов выдает элемент И 27. В это время Формируется нисходящий участок напряжения О и положи-3 тельная вершина О 4 , Запускающие импульсы формируются от задних Фронтов сравнивающего устройства 11. В 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 О 3 и нисходящий участок О 4, запускающие импульсы Формируются от задних Фронтов сравнивающего устройства 12. В промежутке време ни, когда сравнивающие устройства 13 и 14 находятся в состояниях соответственно "1" и "О", пачку запускающих импульсов выдает элемент И 26. В это время Формируется восходящий участок Щ ОЗ и отрицательная вершина О 4, 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 оВ случае 180(ьЧс 360 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 третьемувходу, возможно прохождение одного паразитного запускающего импульса (на Фиг.3 такие импульсы показаны тонкими линиями), совпадающего вовремени с импульсом, выдаваемым одно- вибратором 9, вследствие его запуска последнимзапускающим 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 55 изменять, изменяя частоту задающего генератора или длительность импульса одновибратора.Относительная нестабильность частоты - выходных напряжений описываГемого двухфазного генератора определяется выражением где ф- и - соответственно отноьЬ.1сительные нестабильности частоты задающего генератора идлительности 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 частотчто 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 изобретенияДвухфазный 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения стабильности частоты и амплитуды выходных напряжений, а также сокращения времени их установления, в него введены одно- вибратор и устройство запуска, включающее в себя четыре сравнивающих устройства, два резистора, четыре элемента Не, четыре дифференцирующие цепи, реле с четырьмя переключающимиконтактами, четыре элемента И и эле.мент ИЛИ, при этом преобразователичастоты своими управляющими входамиподключены к выходу одновибратора,вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ устройства, запуска, первыевходы первого и второго сравнивающихустройств связаны соответственно ссигнальными входами первого и второго преобразователей частоты, а ихвторые входы - соответственно с выходами-преобразователей частоты, выходы первОго и второго преобразователей частоты соединены соответственнос первым и вторым входами третьегосравнивающего устройства и однимивыводами резисторов, другие выводы15которых подключены к первому входучетвертого сравнивающего устройства,второй вход которого подключен к общей шине выходы перного и второгосравнивающих устройств соединены со" 2 Оответственно через первую и третьюдиФференцирующие цепи с первым итретьим подвижными контактами, ичерез последовательные соединенияпервого элемента НЕ, второй. дифференцирующей цепи и второго элемента НЕ,четвертой дифференцирующей цепи -соответственно со вторым и четвертымподвижными контактами реле, обмоткакоторого включена между управляющимвыходом фазовращателя и общей шиной,выход третьего сравнивающего устройства связан непосредстненно со вторыми входами перного и третьего элементов И и через третий элемент НЕ -со вторыми входами второго и четвертого элементов И, выход четвертогосравнивающего устройства соединеннепосредственно с третьими входамивторого и третьего элемента И и через четвертый элемент НЕ - с третьими входами первого и четнертого элементов И, первые входы первого,второго, третьего, четвертого элементовИ соединены соответственно с первым,вторым, третьим, четвертым нормальнозамкнутыми и вторым, первым, четвертым, третьим нормально разомкнутыминеподвижными контактами реле, авыходы каждого из элементов И подключены ко входам элемента ИЛИ. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Вавилов А.А. и Солодовников А.И.Экспериментальное определение частотных характеристик автоматизированныхсистем, "Госэнергоиэдат", М., 1963,с.184-222;2. Колтик Е.Д, Измерительные двухФазные генераторы переменного то.:а.Изд."Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при СМ СССР", М.,1968, с.7-15./5 илиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 аказ 6718/71 ВНИИПИ Гасу по делам 113035( МосквТираж 995ственного комитета СС обретений и открытий Ж, Раушская наб.,