CC BY
70
УДК 004.315.8 : 681.532.8
А. В. БУБНОВ Т. Д. БУБНОВА М. В. ГОКОВ А В. Л. ФЁДОРОВ
Омский государственный технический университет
ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО СРАВНЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ
В статье предлагается реализация многофункционального логического устройства сравнения и его элементов, позволяющая повысить быстродействие и надежность работы систем фазовой автоподстройки частоты в широком диапазоне регулирования. Ключевые слова: фазовая автоподстройка частоты, логическое устройство сравнения, импульсный частотно-фазовый дискриминатор.
Системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) находит широкое применение в рад иотехнике 111 (синтезаторы частот и др.), измерительной технике (2| и электротехнике (3) (электроприводы с фазовой синхронизацией).
В качестве сравнивающего элемента и системах ФАПЧ используется логическое устройство сравнения (ЛУС), которое представляет собой цифровое устройство, реализующее алшритм сравнения двух частотных сигналов: опорного /о11 и контролируемого/^., основанный на логической обработке порядка следования во времени импульсов этих частот. Известные варианты построения ЛУС не позволяют обеспечить надежную работу систем ФАПЧ в широком диапазоне регулирования часто ты и имеют ограниченные функциональные возможности, не позволяющие эффективно повысить быстродействие систем ФАПЧ.
1 (елыо статьи является разработка многофункционального ЛУС (и его элементов), позволяющего повысить надежность работы систем ФАПЧ в широком диапазоне регулирования и их быстродействие. Работа выполнена в рамках гранта РФФИ № 08-08-00372-а и Аналитической ведомственной целевой про-раммы «Развитие научного потенциала высшей школы» N■-•2.1.2/4475.
В соответствии с принципом ФАПЧ алгоритм функционирования логического устройства сравнения обеспечиваеттри режима работы: насыщения при разгоне, фазовою сравнения (пропорциональный) и насыщения при торможении ко тура ФЛПЧ. При наличии частотного рассогласования Д/ - /],„ - /|1С сравниваемых сигналов !т и Гм. выходной сигнал ЛУС у представляет собой постоянный уровень напряжения (режимы насыщения: у =1/2 при разгоне и у = -1/2 при торможении контура ФЛПЧ). В пропорциональном режиме работы контура ФАПЧ выходной сигнал ЛУС у представляет собой последовательнос ть импульсов с периодом следования Тт и длительностью т, равной временному интервалу между двумя соседними импульсами час тот Гм и [т, (ШИМ-сигнал фазового рассогласования частот) (4). В этом случае сред-
нее значение сигнала у пропорционально фазовому рассогласованию Дф частот fm и fw.
Под фазовым рассогласованием Дф подразумевается величина, пропорциональная отношению т/'Г1Ш. Значение фазового рассогласования Дф = 2тгт/7^11 в зависимости от 1 может измениться в пределах от 0 до 2к. При анализе процессов в контуре ФАПЧ обычно используется нормированное значение фазового рассогласования Дф = Дф/(2я)- 1 2, которое при изменении х от 0 до ТМ1 изменяется от (— 1 /2) до 1 /2.
Для логического сравнения частотных сигналов обычно используется импульсный частотно-фазовый дискриминатор (ИЧФД), являющийся основой для реализации ЛУС. Импульсный частотно-фазовый дискриминатор может быть построен с использованием различных алгоритмов работы, которые различаются критериями равенства сравниваемых частот и функциональными возможностями ИЧФД |5). Логические устройства сравнения MOiyr включать в себя кроме ИЧФД дополнительные устройства (например, схемы предварительного преобразования входных импульсных частотных сигналов fnn и !w, генераторы импульсов, часто тные дискриминаторы, демодуляторы выходного LL1 ИМ-сигнала ИЧФД) и реализовывать дополнительные функции.
В общем случае структура ИЧФД может быть представлена в виде функциональной схемы |4|, приведенной на рис. I, где ФД — «разовый дискриминатор, ЧД - часто тный дискриминатор, ЛБ — схема логической блокировки. Индекс I в обозначениях сигналов указывает на логический харак тер представления этих сигналов.
Фазовый дискриминатор обычно выполняется в виде RS-триггера Т. Па выходе ФД формируется сигнал Дф,, пропорциональный фазовому рассогласованию Дф частот fna и fttc. Частотный дискриминатор согласно используемому алгоритму определяет наличие частотного рассогласования входных сигналов fim и fm. и в зависимости от знака рассогласования формирует сигналы Д/,+ или А/,., управляющие работой схемы логической блокировки. На выходе схемы
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ 6£СТМИХ N* 3 (М) 2009 flPMSOPOCIPOJUKt. МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО- ЮМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИЬОРЫ И СИС1ЕМЫ
/со '
ФЛі
г9
С т !д% ЛБ
к
1 5 1
. •
V,
чд АС
Рис. 1. Обобщенная функциокл ИЧФД
/ш
&-* Л —
1
а б
Рис. 2. Функциональная схема н граф переходов ИЧФД
1111111 1 1.
‘ 1 1 1 1 || | | И:
•• • 1 • пт і :
'о 1г '
Рис. 3. Временные диаграммы работы ИЧФД
АГ> формируется сигналу,, который при отсутст вии сигналов с частотного дискриминатора равен Дф,. а ири наличии частотного рассогласования Д/ — уровню напряжения логического нуля или логической единицы, фактическое значение которой) определяется сигналами Л/,, и Д/н соответственно.
Наиболее широко в системах ФАПЧ применяется ИЧФД, алгоритм функционирования которого основан на изменении режима его работы в моменты прихода двух импульсов одной из частот /т или /и между двумя соседними импульсами другой частоты |6, 7|. При приходе двух подряд импульсов частоты между двумя соседними импульсами частоты /|<п происходят следующие изменения в работе ИЧФД:
а) режим насыщения ири разгоне переходит в режим фазового сравнения;
б) режим фазового сравнения переходи т в режим насыщения при торможении;
в) режим насыщения при торможении сохраняется.
При приходе двух подряд импульсов частоты / (1 между двумя соседними импульсами частоты (т изменения режима работы происходят в обратном порядке.
Рассмотренный алгоритм реализуется в ИЧФД на основе двухразрядного реверсивного счетчика импульсов СТ2 (рис. 2а), имеющего насыщение при значениях выходного двоичного кода II или 00в зависимости от направления подсчета импульсов.
Алгоритм работы ИЧФД удобно отображать с помощью графа переходов, в узлах которого указаны выходные состоянии импульсного частотно-фазового дискриминатора, а ветви и петли графа обозначены состояниями входов ИЧФД. Алгоритм работы ИЧФД (6| приведен на рис. 26 в виде графа переходов с четырьмя выходными состояниями (А, В, С, О) импульсного частотно-фазового дискриминатора.
Каждый входной импульс частоты /1К1 переводит ИЧФД в соседнее состояние в направлении от А к О, а каждый импульс частоты - в обратном направлении. Режиму фазового сравнения соответствует поочередная смена состояний В и С, ири этом выходной сигнал у, пропорционален Дф и представляет собой ШИМ-сигнал фазового рассогласования Лф сравниваемых сигналов. Режимам насыщения соответствует поочередная смена состояний А и В (при I гт, <С. У, -О) ИЛИ Си О (ири у, =1). Пере-
I ход из одного режима в другой возможен только при
приходе двух (или более} импульсов одной частоты между двумя соседними импульсами другой частоты.
Следует отметить, что граф работы ИЧФД приведенный на рис. 26, является упрощенным, так как не учитывает совпадение во времени входных импульсов, однако при использовании на входе импульсного частотно-фазового дискриминатора схемы разделения совпадающих во времени импульсов [51 исключается наложение импульсов частот Гв11 и 1т, и такое представление графа переходов является справедливым.
Работа ИЧФД поясняется с помощью временных диаграмм (рис. 3). Интервал времени < / < Ґ, соответствует режиму разгона контура ФАПЧ | /|И1 > /)и., у, = П. В момент времени соответствующий приходу двух подряд импульсов частоты между двумя соседними импульсами частоты /01|, ИЧФД переходит в пропорциональный режим рабо ты (режим фазового сравнения), и на выходе у, появляется последовательность импульсов с периодом Гпм и длительностью т, пропорциональной фазовому рассогласованию Дф частот (т и /(1С. В момент времени 1г повторяется ситуация, когда два импульса частоты проходят между двумя соседними импульсами частоты ҐпІІ. В результате ИЧФД переходит в режим насыщения, соответствующий торможению контура ФАПЧ
( См <‘ ' 71 = 0 )•
Основным недостатком рассмотренного алгоритма работы ИЧФД является то, что состояния В и С на графе переходов (рис. 26) соответствуют одновременно режиму фазового сравнении и режимам насыщения ИЧФД.
Для устранения этого недостатка в импульсном частотно-фазовом дискриминаторе предлагается использовать два блокирующих триггера Т1.Т2 (рис. 4а), формирующих сигналы индикации текущего режима работы ИЧФД (8, 9]. В приведенной схеме ИЧФД реализована синхронизация работы блокирующих триггеров ТІ, Т2 но импульсам опорной частоты /1И), что позволяет повысить надежность работы ЛУС.
Сигнал Дф,, пропорциональный фазовой ошибке электропривода Дф, формируется с помощью фазового дискриминатора ФД, который выполняется в виде суммирующего сче тчика импульсов частоты /ш с коэффициентом пересчета, рапным трем, с насыщением при достижении выходным кодом счетчика значения 10 и сбросом в 00 по импульсам часто ты / м. В результате такой реализации счетчик подсчитывает
ФД
д<|>,
//
ль
-5» Г> ТІ
Л У г* С
г 0 Т2
с
4С^)^г@^@уг°
у=0 00 у,=0
Утії /*» / /
УгО ~ у,=0 /«
Лг
•с^</-©ф(5Ь/л
УгО “ у,-1 ж УГ*
Рис. 4. функциональная схема и граф переходов ИЧФД с расширенными функциональными нозможностямн
-Л-1 Дч>,
ИЧФД /»
г 1
II
Рис. 5. Функциональная схеми дцухканального ЛУС
Рис. 0. Функциональная схема нисготного дискриминатора
количество иоступинших на его тактовый вход импульсов частоты (ік между двумя соседними импульсами частоты /<и|. После прихода пторого импульса частоты /^счетчик переходит в режим насыщения.
Логическое устройс тво ЛУ в зависимости от состояния счетчика импульсов и значений выходных сигналов блокирующих триггеров ТІ, Т2 формирует сигналы, поступающие па информационные входы блокирующих триггеров. Эти сип >алы отражают требуемое изменение текущего режима работы ИЧФД и в момент прихода импульса частоты /м|1 запоминаются в блокирующих триггерах.
Высокий уровень напряжения И на выходе второго разряда счетчика импульсов в ФД соответствует состояниям РЗ. /73 или 73 графа переходов (рис. 46) и используется в схеме ЛБ для опережающей разблокировки ИЧФД в случае прихода подряд двух или более импульсов часто ты 1<к между двумя соседними импульсами частоты /в_соответствии с логической функцией у, = (р + ГЛф,)/-/. В режиме фазового сравнения схема ЛБ открыта сигналами с выходов блокирующих триггеров, и сигнал Дф; с выхода ФД проходит на выход импульсного частотно-фазового дискриминатора. В режимах насыщения ИЧФД схема ЛБ закрывае тся, и на ее выходе формируется логический уровень напряжения, значение которого определяется состоянием блокирующих триггеров (знаком ошибки &( регулируемой частоты /ш ).
В предложенной схеме ИЧФД может биті, предусмотрен дополнительный выход фазового дискриминатора Л<р,. не имеющий насыщения (рис. 5). Этот пі.іход предлагается использовать для реализации дополнительного ФД с расширенной до -ь 1,5ф0линейной зоной характеристики |9. 10), ч то позволяет устранить разрывы в выходном сигнале Лф в диапазоне ±1.5Ф(1|11).
Для организации опережающей разблокировки ИЧФД предлагается функциональная схема ЧД, алгоритм работы которой основан на определении ситуации повторного наложения во времени входных
импульсовЧД| 12,13) (Р1,с. С.гдеФКИ - формирователь коротких импульсов стабильной длительности X).
Наложение во времени входных импульсов ЧД определяется с помощью логического элемента И, а количество таких повторных наложений подсчитывается первым двухразрядным счетчиком импульсов СТ1. Второй счетчик импульсов СТ2 подсчитывает количество повторно совпадающих пауз, определяемых с помощью логического элемента ИЛИ-НЕ между повторными наложениями входных импульсов. Если такое количество совпадений пауз превышает единицу, то счетчик импульсов СТ1 устанавливается в ноль по сигналу с выхода 02 счетчика импульсов С'Г2, и разблокировки ИЧФД не происходит. Если же повторное наложение импульсов произошло на следующем такте /оп, появляется единица на выходе
02 счетчика СТ1 (выходной сигнал ЧД Д/,), по которой осуществляе тся разблокировка ИЧФД в пропорциональный режим работы.
При таком алгоритме работы частотного дискриминатора периоды сравниваемых частот в момент срабатывания ЧД отличаются друг от друга на величину, не превышающую 2т. Изменением значения х можно регулировать величину частотного рассогласования импульсных последовательностей /()Н и [(<с в момент разблокировки ИЧФД. Срабатывание ЧД происходит до смены знака частотного рассогласования в отличие от алгоритма работы обычного ИЧФД, в котором переход в пропорциональный режим работы происходит после смены знака частотного рассогласования. В результате при включении такого ЧД в состав ЛУС обеспечивается опережающая разблокировка ИЧФД и, следовательно, повышается быстродействие систем ФАПЧ 114).
В режиме втягивания контура ФАПЧ в синхронизм с входным частотным сигналом ґт возможны сбои ИЧФД обусловленные совпадением во времени импульсов сравниваемых частот и В области высоких рабочих частот разнос ть периодов сравниваемых сигналов при синхронизации контура ФАПЧ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. МПРОЛОГИ1 и инсормационмо-юмгрнтглшш приборы и систему
-с
эз
ЬфиЇЇ* /Я
Я Т< * им Ц Б Т
к Я
ФИ
л
эз
ФИ
«л
/«
03
Рис. 7. Варианты функциональных схем устройства для разделения совпадающих импульсов на осново распределяющего триггера
м„ /яг
ичн
А| ИИ
т~
у н„ II
ЛУС > ФП СВХ _ 1
Рис. В. Структурная схемо демодулятора ШИМ-сигналз
«о /о,
Т!
УЧ
СИ
Э~
а 6 в
Рис. 9. Варианты структурных схем функционального преобразователя
но превышает десятков наносекунд |5). Такая малая разность периодов приводит к тому, что при работе ИЧФД (выполненных на цифровых интегральных микросхемах) в момент их разблокировки происходит повторяющееся наложение но времени входных импульсов ЛУС. Так как время срабатывания логических элементов превышает значения разности периодов, в работе ИЧФД возникают сбои, приводящие к тому, что разблокировка импульсного частотно-фазового дискриминатора происходит при больших значениях ошибки по частоте. В э том случае начальные условия для пропорционального режима работы контура ФАПЧ значительно ухудшаются, что явля-, е гся причиной возникновения в режиме синхронизации низкочастотных колебаний, и, следовательно, происходит снижение быстродействия контура ФАПЧ.
Устранить сбои ИЧФД можно путем использования вЛУС схемы разделения (СР), которая в случае совпадения во времени двух входных импульсов сдвигает позже поступивший импульс на временной интервал т. Надежную работу ЛУС могут обеспечить СР с использованием {^-триггера в качестве распределителя входных импульсов [!5| (рис. 7а). При приходе двух входных импульсов СР с интервалом менее времени задержки т. элемента задержки ЭЗ, трштер-распределитель устанавливается в од! «о из двух устойчивых состояний, которое определяется первым из пришедших импульсов и сохраняется па время прохождения этого импульса через формирователь импульса ФИ на выход СР, затем триггер устанавливается в другое устойчивое состояние, и разрешается прохождение второго импульса на выход устройст ва.
Недостатком такой СР является наличие задержки импульсов в каждом канале на время т.. Устранить временную задержку выходных импульсов схемы разделения предлагается путем переноса элементов задержки из каналов формирования выходных импульсов СР в цепи обратной связи (рис. 76) (5|. В этом случае обеспечивается высокая надежность работы устройства и отсутствие задержек в формировании выходных импульсов (кроме временного сдвига одного из совпадающих входных импульсов СР).
В режиме фазового сравнения выходной ШИМ-сигнал ЛУС имеет прямоугольную форму, поэтому для выделения полезного сигнала фазовой ошибки I необходима его демодуляция. Широко используются
два вида структурных схем для демодуляции сигнала у |5]. Наиболее простой в практической реализации является схема с использованием фильтра нижних частот (ФНЧ). Такая схема вносит значительную инерционность при преобразовании сигнала у, и ее использование целесообразно в области высоких рабочих частот (где возможно уменьшение постоянной времени ФНЧ благодаря уменьшению периода следования импульсов частоты /(ш).
Увеличение быстродействия при преобразовании сигналаув аналоговый сигнал достигается при использовании дискретного преобразователя (рис. 0) на основе схемы выборки хранения (СВХ). Функциональный преобразователь ФП осуществляет формирование изменяющегося напряжения ип, значение которого в момент прихода импульса частоты пропорционально сигналу у. Это значение напряжения запоминается в СВХ и поступает на выходдсмолулятора.
Варианты структурных схем функционального преобразователя представлены па рис. 9. В основе их работы лежит принцип линейной развертки напряжения между двумя соседними импульсами частоты (ш, реализуемый с помощью ин тегратора напряжения ИИ.
Использование структурной схемы, в которой интегратор охвачен отрицательной обратной связью (рис. 9а), возможно в узком диапазоне рабочих частот из-за зависимости времени переходного процесса преобразования от изменения (разовой ошибки А'ф и отношения периода квантования 7* м к постоянной времени интегратора Т.
Высокую точность в широком диапазоне сравниваемых частот обеспечивают демодуляторы, в которых напряжение на входе ИИ формируется с помощью преобразователя частота-напряжение (ПЧН), реализующего пропорциональную зависимость выходного напряжения и„отГГЛ| (рис. 96). Практическая реализация такого демодулятора может быть выполнена в цифровой форме (рис. 9в), при этом в качестве интегратора используется счетчик импульсов СИ, в вместо ПЧН - умножитель частоты УЧ, который может быть выполнен в виде контура ФЛПЧ сделите-лем частоты в цени обратной связи.
Для прак тического использования в ЛУС предлагается более простая схема ФП. выполненная в виде разделительной ЛС-цепи 116] (рис. 10а) и позволяющая обеспечить высокую точность преобразооания и ши* рокий диапазон рабочих частот / .
І Іри выборе параметров разделительной ЯС-цепи и соответствии с условием ІІС > 1 ОТ),,, <|>орма выходного сигнала у ЛУС практически но искажается при от прохождении через функциональный преобразователь, а постоянная составляющая в выходном сигнале иаотсутствует (рис. 106).
Среднее за период Г,,„ напряжение на выходе ЛУС у будет равно
Тогда, с учетом того, что U \ и2, Тт = г, + t2 и т,и, = z.jUr получаем
=«V
Это значение напряжения в момент прихода импульса частоты (т. запоминается в CNX и поступает на выход демодулятора. Коэффициент передачи такого демодулятора постоянен в диапазоне частот
[ >Л.
' НС
Предложенные разработки элементов ЛУС могут использоваться при проектировании систем ФАПЧ и зависимости от предъявляемых к ним требований. В результате повышается надежность их работы в широком диапазоне рабочих частот и быстродействие.
Библиографический список
I Системы фазовой сшіхрошіздциисэлсмоитомидискретизации / В, В. Шахгнльдип, А. А. Ляхоикин. В. Л. Карякин и др.; 11од ред. В. В. Шахгильдяил. - М.: Радио и связь. 1989. - 320 с.
2. Жилин. Н. С. Принципы фазовой синхронизации и измерительной техник»*. — Томск: Ради» и связь. 1989. - 384 с.: ил.
3. Трахтенберг, Р. М Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. - М.: Энертоиздат. 1982. - 108 с.
4. Бубнов, А. В. Математическая модольлоїического устрой» ства сравнениями електроприводі г фазовой синхронизацией// Электричество. - 2005. No 5. - С. 27-31.
Ь. Бубнив. А. 15. вопросы теории и проектирования прецизионных синхронно-синфазных электроприводов постоянного тока: Монографии. - Омск: Редакция журнала «Омский научный весі инк», 2005. — 190 с.
6. Стребков, В. И. Импульсный частотно-флзоиый дискриминатор на интегральных микросхемах // Электронномтехника в автоматике / Под ред. (О. И. Конева. — М.: Советское радио, 1977. - Вып. 9. - С. 223 - 230.
7. А.с. 569000 СССР. МКИ* Н03 О 13/00. Импульсный частотно-фазовый дискриминатор/В. И.Стребкоп (СССР). - Зс.: ил
8. А.с. 1589373 СССР, МКИЧ103 О 13/00. Частотно-фазовый дискриминатор / А. В. Бубнов, В. Г. Ковко, Л. М. Сутормин (СССР). - 5 С.: ил.
9. Бубнов. А, В. Многофункциональное логическое устройство сравненнидля электропривода с фазовой синхронизацией.// Известии Томского политехнического университета. 2005. — №4. - Т. 308. - С. 153- 157.
10. А.с. 1508334СССР. МКИ'Н02 Р5/06. Стабилизированный электропривод/Л. В. Бубнов, В. Г. Каи ко, Л. М. Сутормин (СССР). — •1 с.: ил.
11. Бубнов. Л. В. Способ коррекции электропривода с физо-иой синхронизацией // Известия вузов. Электромеханика. — 2005. - М4. — С. 49-52.
12. А.с. 1624649 СССР. МКИЖ02Р 5/06. Стабилизированный электропривод / Л. В. Бубнов. Б, М.ЯманопскнЙ (СССР). - 4 с.: ил.
13 Бубнов. Д. В. Анализ влиянии алгоритма работы импульсного частотно-фазового дискриминатора на динамику электропривода с фазовой синхронизацией // Известия Томского политехнического университета. — 2004. — №6. — Т. 307. — С. 139-143
14. Бубнов. Л. В. Улучшение динамики электропривода с фазовой синхронизацией //Электротехника. — 2005. — N'>11. -С. 48—52.
15. А.с. 292229СССР, МКИ* Н03 К 5/20. Устройство для разделения входных импульсов днухканалыюго счетчика/В. И Чепрл* сов, 11. А. Луганский (СССР). - 2 с.: ил.
16. А.с. 1688381 СССР. МКИЧЮЭ Г) 13/00. Импульсно-фазовый дискриминатор / В. Л. Федоров, А. В. Бубнов, В. Г. Кавко. Л. М. Сутормин <СССР|. — 4 с.: ил.
БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприя тий».
БУБНОВА Татьяна Алексеевна, аспирантка той же кафедры.
Адрес для переписки: е-тай: lex_cs@mail.ru. ГОКОВА Марина Владимировна, ассистент той же кафедры.
ФЁДОРОВ Владимир Леонидович, кандидат технических наук, доцент той же кафедры.
Статья поступила в редакцию 23.00.2009 г.
<0 Л. В. Бубнов, Т. А. Бубнова, М. В. Гокона, В. Л. Фёдоров
Рис. 10. Схема функционального преобразователя и временные диаграммы работы
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МОНИК N* 3 (S3) 2GC9 ПРИЬОРОСТЮСНИЕ, МЕИЧМОПМ И ИК«01*МАиИ0ИН0-ИЭМ|РИ1ЕЛЬНЫС ПРИБОРЫ И СИСПМЫ
