ГЕНЕРАТОР СПЕЦИАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано в аппаратуре для создания тока в подземных или подводных токопроводах (кабелях, трубопроводах и других изолированных от среды проводниках) как при непосредственном подключении к ним, так и возбуждением тока с помощью индукционной катушки.

Известен генератор сигнала (см. патент Великобритании №2363010, кл. G 06 F 1/02, G 01 V 3/06 от 02.03.2001), один из вариантов которого содержит формирователь сигналов, импульсные модуляторы, схему формирования сигналов управления выходным каскадом, выходной каскад, фильтр низких частот, источник питания, нагрузку, параллельно которой включен преобразователь обратной связи. Вышеуказанное известное устройство является наиболее близким к заявляемому изобретению и может быть взято в качестве прототипа.

Первым недостатком известного устройства является следующее. Поведение предполагаемой нагрузки генератора (кабельные трассы или трубопровод, или катушка намагничивания) в зависимости от технического состояния, климатических условий и других воздействующих факторов носит сложный характер. Кроме того, нагрузки различаются по соотношению составляющих импеданса. Поэтому установить точное значение тока (мощности) в нагрузке, к клеммам которой параллельно подключен преобразователь обратной связи, удается не во всех случаях. Это может привести к потери преемственности измерений, полученных приемными диагностическими устройствами, так как фактическое значение тока может отличаться от установленного. Вторым недостатком является отсутствие на выходе фильтра, в цепи питания нагрузки, схемы защиты от выбросов напряжения (перенапряжений). В случае некачественного подключения нагрузки, имеющей значительную индуктивную составляющую, к выходу генератора (имеется дефектный контакт в цепи питания нагрузки), могут возникнуть выбросы напряжения, повлекшие сбои в работе и даже выход из строя генератора. Величина емкости С3 на фиг.5 прототипа будет сглаживать эти выбросы, но может оказаться недостаточной для рассматриваемого случая. Оба случая нежелательны, так как при этом снижается точность установленных режимов работы генератора и его надежность.

Решаемой технической задачей является создание генератора, позволяющего установить более точное значение тока в подземных или подводных токопроводах и имеющего большую эксплуатационную надежность.

Достигаемый технический результат - повышение точности установленного тока и повышение эксплуатационной надежности генератора.

Технический результат достигается тем, что генератор сигналов содержит формирователь сигналов, импульсные модуляторы, выходы которых соединены с первым и вторым входами схемы формирования сигналов управления выходным каскадом соответственно, выходы которой подключены ко входам выходного каскада, выходы которого соединены со входами фильтров низких частот, выходы которых соединены с нагрузкой, источник питания подключен к шине выходного каскада, преобразователь обратной связи. Новым является то, что преобразователь обратной связи содержит датчик ограничения напряжения, датчик рабочего тока, датчик перегрузки по току, полосовой фильтр, микропроцессор, переключатель "выбор тока" и первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), вход которого соединен с первым выходом микропроцессора, второй выход которого соединен со входом установки коэффициента преобразования датчика рабочего тока, выход которого соединен со входом полосового фильтра, выход которого соединен с первым входом микропроцессора, второй вход которого соединен с выходом датчика ограничения напряжения, вход которого подключен к выводам нагрузки, вход датчика перегрузки по току включен в цепь питания нагрузки, а выход соединен с третьим входом схемы формирования сигналов управления выходным каскадом и третьим входом микропроцессора, четвертый вход которого соединен с переключателем "выбор тока", формирователь сигналов содержит последовательно соединенные задающий генератор, делитель частоты, счетчик-делитель, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и второй цифроаналоговый преобразователь, одновибратор, схема укорочения счета, переключатель "выбор частотного сигнала", выход которого соединен со вторым входом постоянного запоминающего устройства, второй вход второго цифроаналогового преобразователя соединен с выходом одновибратора, вход которого соединен со вторым выходом делителя частоты, третий выход которого соединен с первым входом схемы укорочения счета, второй вход которой соединен с выходом счетчика-делителя, выход схемы укорочения счета соединен со вторым входом счетчика-делителя, третий вход второго цифроаналогового преобразователя соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя, дополнительно введен генератор синхросигнала, включающий сдвоенный переключатель, коммутирующий на выходы поочередно сигналы от источника опорного напряжения и нулевой шины, источник опорного напряжения, первый интегратор и второй интегратор, входы которых соединены с выходами сдвоенного переключателя соответственно, первый вход источника опорного напряжения подключен к первому входу сдвоенного переключателя, второй вход которого соединен со вторым выходом делителя частоты, выходы первого и второго интеграторов соединены со вторыми входами импульсных модуляторов соответственно, первые входы которых соединены с выходом второго цифроаналогового преобразователя.

Для защиты от перенапряжения введена схема защиты, входы которой подключены к клеммам нагрузки и шине блока питания. Для повышения надежности генератора введены первый датчик температуры, установленный на радиатор выходного каскада, выход которого соединен с пятым входом микропроцессора и второй датчик температуры, установленный на блок питания выходного каскада, первый выход которого соединен с шестым входом микропроцессора, а второй выход с вентилятором; блок индикации, вход которого соединен с четвертым выходом микропроцессора.

Новая совокупность существенных признаков позволяет повысить точность установленного тока и эксплуатационную надежность генератора сигналов.

На чертеже изображена структурная схема генератора сигналов.

Генератор сигналов содержит формирователь сигналов 1, импульсные модуляторы 2, 3, выходы которых соединены с первым и вторым входами схемы формирования сигналов управления выходным каскадом 4 соответственно, выходы которой подключены ко входам выходного каскада 5, выходы которого соединены со входами фильтров низких частот 6, 7, выходы которых соединены с нагрузкой 8, источник питания 9 подключен к шине выходного каскада 5, преобразователь обратной связи содержит датчик ограничения напряжения 10, датчик рабочего тока 11, датчик перегрузки по току 12, полосовой фильтр 13, микропроцессор 14, переключатель "выбор тока" 15 и первый ЦАП 16, вход которого соединен с первым выходом микропроцессора 14, второй выход которого соединен со входом установки коэффициента преобразования датчика рабочего тока 11, выход которого соединен со входом полосового фильтра 13, выход которого соединен с первым входом микропроцессора 14, второй вход которого соединен с выходом датчика ограничения напряжения 10, вход которого подключен к выводам нагрузки 8, вход датчика перегрузки по току 12 включен в цепь питания нагрузки 8, а выход соединен с третьим входом схемы формирования сигналов управления выходным каскадом 4 и третьим входом микропроцессора 14, четвертый вход которого соединен с переключателем "выбор тока" 15, формирователь сигналов 1 содержит последовательно соединенные задающий генератор 17, делитель частоты 18, счетчик-делитель 19, ПЗУ 20 и второй ЦАП 21, в формирователь сигналов 1 дополнительно введены одновибратор 22, схема укорочения счета 23, переключатель "выбор частотного сигнала" 24, выход которого соединен со вторым входом ПЗУ 20, второй вход второго ЦАП 21 соединен с выходом одновибратора 22, вход которого соединен со вторым выходом делителя частоты 18, третий выход которого соединен с первым входом схемы укорочения счета 23, второй вход которой соединен с выходом счетчика-делителя 19, выход схемы укорочения счета 23 соединен со вторым входом счетчика-делителя 19, третий вход второго ЦАП 21 соединен с выходом первого ЦАП 16, дополнительно введен генератор синхросигнала 25, включающий сдвоенный переключатель 26, источник опорного напряжения 27, первый интегратор 28 и второй интегратор 29, входы которых соединены с выходами сдвоенного переключателя 26 соответственно, первый вход источника опорного напряжения 27 подключен к первому входу сдвоенного переключателя 26, второй вход которого соединен со вторым выходом делителя частоты 18, выходы первого и второго интеграторов 28, 29 соединены со вторыми входами импульсных модуляторов 2 и 3 соответственно, первые входы которых соединены с выходом второго ЦАП 21.

Для повышения эксплуатационной надежности введена схема защиты от перенапряжения 30, входы которой подключены к клеммам нагрузки 8, шине питания источника питания 9.

Схема работает следующим образом.

При включении питания задающий генератор 17 начинает вырабатывать периодическую последовательность импульсов частотой 2,4576 МГц, которая поступает на делитель частоты 18, обеспечивающего формирование опорных частот и синхросигнала. С первого выхода делителя частоты 18 тактовая частота поступает на первый вход счетчика-делителя 19, с выхода которого сигнал поступает на второй вход схемы укорочения счета 23, на первый вход которой поступает тактовая частота с третьего выхода делителя частоты 18. Счетчик-делитель 19 работает в режиме кольцевого счета с укороченным циклом. Это необходимо для получения числа тактов в периоде кратного целому числу для всех составляющих частот сигнала. При появлении на выходе счетчика-делителя 19 определенной кодовой комбинации, схема укорочения счета 23 генерирует короткий импульс сброса, завершая цикл счета. С выхода счетчика-делителя 19 кодовая комбинация поступает на первый вход ПЗУ 20, в памяти которого прописано четыре частотные комбинации сигнала, выбор необходимой производится при помощи переключателя 24 "выбор частотного сигнала", сигнал с которого подается на второй вход ПЗУ, с выхода которого кодовая комбинация поступает на первый вход второго ЦАП 21, который преобразует кодовую комбинацию ПЗУ в напряжение по формуле:

где N - кодовая комбинация,

U_оп - опорное напряжение, сформированное первым ЦАП 16.

Как видно из формулы, изменяя U_оп, изменяем коэффициент преобразования второго ЦАП, таким образом осуществляется регулировка амплитуды частотного сигнала. На второй вход второго ЦАП 21 поступают короткие импульсы с выхода одновибратора 22, разрешающие запись входных данных после прохождения тактовых переключений, для предотвращения прохождения на выход второго ЦАП 21 коммутационных выбросов, опорное напряжение которому формирует первый ЦАП 16, управляемый микропроцессором 14. С выхода второго ЦАП 21 сигнал поступает на первые входы импульсных модуляторов 2 и 3, которые преобразуют амплитуду входного сигнала в длительность импульсов с частотой, равной частоте синхросигнала, поступающего на их вторые входы.

Генератор синхросигнала 25 работает следующим образом. На второй вход сдвоенного переключателя 26 поступают тактовые импульсы с третьего выхода делителя частоты 18, синхронно с которыми сдвоенный переключатель коммутирует поочередно на выходы сигнал с источника опорного напряжения 27 и нулевой шины, выходы переключателя противофазные. С выходов сдвоенного переключателя 26 меандр стабильной частоты и амплитуды поступает на входы интеграторов 28 и 29, преобразующих его в треугольный сигнал синхронизации для импульсных модуляторов 2 и 3, с выходов которых сигнал поступает на формирователь сигнала управления выходным каскадом 4. Формирователь сигнала управления выходным каскадом формирует сигналы управления верхним и нижним плечами выходного каскада, причем между переключениями верхнего и нижнего плеча выходного каскада вводится пауза, исключающая сквозные токи в момент переключения. Кроме того, в данном устройстве преобразуются сигналы ТТЛ уровня в сигналы с уровнями управления затворов транзисторов выходного каскада. Сигналы импульсных модуляторов 2 и 3, усиленные по мощности, с выходного каскада 5 поступают на фильтры низких частот 6, 7, где восстанавливается исходный аналоговый сигнал из импульсного. Преобразование аналогового сигнала в импульсный, усиление его по мощности и обратное восстановление в аналоговый необходимо для достижения более высокого кпд, чем при прямом усилении аналогового сигнала по мощности. С выходов фильтров 6, 7 сигнал поступает в нагрузку 8 через датчик перегрузки по току 12, прецизионный резистор обратной связи датчика рабочего тока 11. Датчик ограничения напряжения 10 включен параллельно нагрузке и срабатывает при ограничении выходного сигнала по верхнему или нижнему уровню, сигнал срабатывания поступает на второй вход микропроцессора 14, который с пятого выхода на вход источника питания 9 вырабатывает сигнал увеличения напряжения на шине выходного каскада 5. Источник питания 9 имеет пять уровней выходного напряжения: 20, 40, 60, 80 и 100 В.

Датчик перегрузки по току 12 срабатывает при превышении значения тока 20 А, в то время как максимальный рабочий ток, в зависимости от положения переключателя 15, может меняться от 0,4 до 12 А. Такая ситуация может возникнуть при резком падении сопротивления в цепи нагрузки 8, т.е. так быстро, что микропроцессор 14 не успевает отработать это изменение (смотри далее). При срабатывании датчик перегрузки по току 12 выдает сигнал на третий вход формирователя сигнала управления выходным каскадом 4, который переводит транзисторы выходного каскада 5 в закрытое состояние, и сигнал поступает на третий вход микропроцессора 14, который через пятый выход отключает источник питания 9 и через четвертый выход выдает сигнал перегрузки по току на блок индикации. Датчик рабочего тока 11 представляет собой изолированный усилитель с управляемым коэффициентом усиления, т.е. вход усилителя гальванически изолирован от выхода и имеет гальванически изолированное питание, управление усилением также осуществляется через гальваническую развязку. С выхода датчика рабочего тока 11 сигнал поступает на полосовой фильтр 13, выделяющий низкочастотную составляющую сигнала 4 Гц, которая поступает на первый вход микропроцессора 14, который осуществляет дополнительно цифровую фильтрацию сигнала. В зависимости от разницы между значением установленного переключателем 15 "выбор тока" и фактическим значением тока, микропроцессор выдает с первого выхода на вход первого ЦАП 16 сигнал на увеличение, если фактический ток ниже установленного, и на уменьшение, если выше. Исходное состояние, с которого начинается установка тока: напряжение на выходе первого ЦАП равно 0, напряжение питания выходного каскада 20 В. При установке выбранного тока, микропроцессор 14 начинает увеличивать выходное напряжение первого ЦАП 16, соответственно начинает увеличиваться размах сигнала на нагрузке 8, если значение заданного тока не достигнуто и сработал датчик ограничения напряжения 10, микропроцессор 14 пропорционально изменению напряжения питания снижает выходное напряжение первого ЦАП 16 и выдает команду источнику питания 9 на увеличение напряжения (устанавливает 40 В), т.е. при изменении напряжения питания выходного каскада с 20 на 40 В сохранился максимальный ток, достигнутый при 20 В. Далее микропроцессор продолжает увеличивать выходное напряжение первого ЦАП до достижения установленного тока. Если значение заданного тока не достигнуто, срабатывает датчик ограничения напряжения и начинается переход на следующую ступень питания, аналогично рассмотренной. Если при питании выходного каскада 100 В срабатывает датчик ограничения напряжения, это значит, что достичь заданного значения тока не удастся и микропроцессор отключает источник питания 9 и выходной каскад, и выдает на блок индикации сигнал "ограничение напряжения". Если рабочий ток установлен, то микропроцессор выдает сигнал на блок индикации "выход нормальный" продолжая контролировать текущее значение тока.

Для защиты элементов схемы от выбросов напряжения со стороны нагрузки имеется схема защиты от перенапряжения 30, которая срабатывает при выбросе напряжения, превышающем питание выходного каскада, коммутируя выброс на шину питания, имеющую большую емкостную составляющую, в результате выброс сглаживается. Для повышения надежности прибора дополнительно введена схема защиты от перегрева. Датчики температуры установлены на радиатор транзисторов выходного каскада и корпус источника питания 9, являющиеся наиболее теплонагруженными элементами прибора. При превышении верхней критической температуры микропроцессор 14 отключает выходной каскад 5 и источник питания 9 и выдает на блок индикации сигнал "перегрев", генератор переходит в пассивный режим до понижения температуры ниже верхней критической, затем происходит автоматический перезапуск генератора. С целью увеличения времени работы генератора около верхней критической температуры, внутри герметичного корпуса генератора установлен вентилятор, который включается при превышении 40°С, выравнивая температурное поле внутри корпуса, и отключается при снижении ниже 30°С.

Импульсные модуляторы 2 и 3 могут быть выполнены на микросхемах серии AD790, источник питания 9 на модуле питания МР4-1Р- 1P- 1P- 1P- 1P и модуле питания LPT45 фирмы ASTEC, датчик ограничения напряжения 10 на микросхемах серии AD790 и 1554ЛЛ1, датчик рабочего тока 11 на микросхемах серии AD210, AD261-5, AD5260 и ТМА1505, датчик перегрузки по току 12 на основе датчика тока CSNE151-002, микросхемах серии AD790, 1554ЛЛ1 и 1554ТМ2, полосовой фильтр 13 на микросхемах серии AD822, второй ЦАП 16 на микросхеме серии AD7243, задающий генератор 17 на микросхеме серии 1554ЛН1, делитель частоты 18 на микросхемах серии 1554ИЕ6 и 1554ИЕ10, счетчик-делитель 19 на микросхеме серии 74HCT4040AN, ПЗУ 20 на микросхеме серии АТ28С256, первый ЦАП 21 на микросхеме серии AD767, одновибратор 22 на микросхеме серии 1533АГЗ, схема укорочения счета 23 на микросхемах серии 1554ЛИ6, 1554ТМ2, сдвоенный переключатель 26 на микросхеме серии ADG736, источник опорного напряжения 27 на микросхеме серии AD780, интеграторы 28 и 29 на микросхемах серии AD825, схема защиты от выбросов напряжения (перенапряжения) 30 на диодах SF34.

Был изготовлен лабораторный макет, который подтвердил работоспособность заявляемого устройства.

Заявляемое устройство позволяет получить максимальную выходную мощность (300 Вт) в более широком диапазоне нагрузочных импедансов (до 8 Ом активного сопротивления), повысить надежность и точность установки тока генератора сигналов (не хуже 5%). Схема защиты от выбросов напряжения (перенапряжений) позволяет сохранять работоспособность генератора в широком диапазоне нагрузок с индуктивной составляющей импеданса не более 30 мГн.