Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 10643
(13) U
(46) 2015.04.30
(51) МПК
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
H 03L 7/14 (2006.01)
(54) УСТРОЙСТВО ФАЗОВОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ
ЧАСТОТЫ ЗАДАЮЩЕГО ГЕНЕРАТОРА
(21) Номер заявки: u 20140430
(22) 2014.11.24
(71) Заявитель: Костелецкий Александр
Павлович (BY)
(72) Автор: Костелецкий Александр Павло-
вич (BY)
(73) Патентообладатель: Костелецкий
Александр Павлович (BY)
(57)
1. Устройство фазовой автоматической подстройки частоты задающего генератора
включает в себя источник питания, задающий генератор, усилитель мощности, выходной
трансформатор тока, дроссель, дифференциальный трансформатор тока с двумя встречно
включенными первичными обмотками, компенсирующий конденсатор и пьезокерамиче-
ский преобразователь, отличающееся тем, что дополнительно снабжено двумя встречно
включенными диодами, подключенными к вторичной обмотке дифференциального транс-
форматора тока, и конденсатором внешней времязадающей цепи задающего генератора,
при этом дифференциальный трансформатор тока содержит одну вторичную обмотку.
2. Устройство фазовой автоматической подстройки частоты задающего генератора по
п. 1, отличающееся тем, что встречно включенные диоды и конденсатор внешней время-
задающей цепи задающего генератора образуют фазовый детектор.
(56)
1. Багинский В.А., Редько В.В. Источник питания ультразвуковой технологической
установки // Приборы и техника эксперимента. - 2000. - № 4. - С. 155-156.
2. Попов О.В., Хмелев В.Н. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их
применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве: научная мо-
нография. Алт. гос. Техн. Ун-т. им. И.И.Ползунова. - Барнаул: АлтГТУ, 1997. - 160 с.
Фиг. 1
BY10643U2015.04.30

2. BY 10643 U 2015.04.30
2
Заявляемая полезная модель относится к радиотехнике, преобразовательной технике и
может быть использована для формирования характеристик, обеспечивающих работу пьезо-
керамического преобразователя в режиме акустического резонанса, задающего генератора.
Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) - система автоматической регулировки,
подстраивающая фазу управляемого генератора так, чтобы она была равна фазе опорного
сигнала либо отличалась на известную функцию от времени. Регулировка осуществляется
благодаря наличию отрицательной обратной связи. ФАПЧ сравнивает фазы входного и
опорного сигналов и выводит сигнал ошибки, соответствующий разности между этими
фазами. Выходной сигнал управляемого генератора сравнивается на фазовом детекторе с
опорным сигналом, результат сравнения используется для подстройки управляемого гене-
ратора. Если разность фаз между опорным сигналом и входным сигналом постоянна, то
система ФАПЧ засинхронизирована. Если входной или опорный сигнал изменяет фазу, то
фазовый детектор в системе ФАПЧ будет вырабатывать сигнал ошибки, который пропор-
ционален величине и полярности изменения фазы. Этот сигнал ошибки вызывает измене-
ние в фазе опорного сигнала, так что состояние синхронизации вновь восстанавливается.
Схема устройства автоматической подстройки частоты обеспечивает контроль пара-
метров акустической мощности, отдаваемой в нагрузку и выработку электрического сиг-
нала, пропорционального изменению этой акустической мощности. Выработанный
обратной связью сигнал обеспечивает быстрое изменение параметров задающего генера-
тора. Выполненная таким образом обратная связь обеспечивает постоянство акустической
мощности излучаемой энергии.
Основными блоками, входящими в структурную схему устройства фазовой автомати-
ческой подстройки частоты, являются:
задающий генератор;
источник информационного сигнала обратной связи;
фазовый детектор.
Известны различные схемы устройства ФАПЧ, например устройство ультразвукового
генератора с ФАПЧ на основе последовательного колебательного контура с параллельной
и последовательной компенсацией [1].
Устройство состоит из полумостового инвертора, нагруженного через дроссель и кон-
денсатор на первичную обмотку выходного трансформатора, содержащего две вторичные
обмотки. Также в устройстве имеются источник питания на два напряжения, два компара-
тора, ФАПЧ, ШИМ (широтно-импульсная модуляция) и два усилителя-формирователя,
подключенных к мощным полевым транзисторам полумостового инвертора. Компаратор
К1 подключен к одной из вторичных обмоток, являющихся источником информационного
сигнала напряжения. Второй компаратор К2 подключен к резистору, который является
источником информационного сигнала тока и который включен в последовательную цепь,
состоящую из вторичной обмотки выходного трансформатора и пьезокерамического пре-
образователя. Усилители-формирователи выполнены на транзисторах с трансформатор-
ной связью с выходными трансформаторами полумостового инвертора.
Данное устройство содержит инерционные индукционные элементы в цепях форми-
рования управляющего сигнала ФАПЧ и не обладает возможностями широкодиапазонной
подстройки частоты пьезокерамического преобразователя, работающего с различными
технологическими нагрузками.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство фазовой автоматиче-
ской подстройки частоты в многофункциональном ультразвуковом аппарате, содержащем
источник питания, задающий генератор, усилитель мощности (полумостовой инвертор),
формирователь сигнала обратной связи ФАПЧ и защиту генератора. Устройство ФАПЧ
включает в себя выходной трансформатор тока, резистор, дифференциальный трансфор-
матор тока с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, два конденсатора, два
резистора, интегральные микросхемы, большое количество дискретных электронных эле-

3. BY 10643 U 2015.04.30
3
ментов. Так как данное устройство не обеспечивает согласования генератора с различны-
ми технологическими нагрузками, в нем применен регулируемый выходной трансформа-
тор, дроссель и пьезокерамический преобразователь [2].
Недостатком данного устройства является невозможность обеспечения полной широ-
кодиапазонной автоматической настройки режима акустического резонанса пьезокерами-
ческого преобразователя системой ФАПЧ. Кроме того при смене технологических
нагрузок требуется дополнительная ручная подстройка выходного трансформатора.
Задачей заявляемой полезной модели является создание устройства фазовой автома-
тической подстройки частоты, обеспечивающего полную широкодиапазонную автомати-
ческую настройку режима акустического резонанса пьезокерамического преобразователя,
более простого по исполнению, лишенного инерционных элементов и цепей, и в то же
время обеспечивающего работу пьезокерамического преобразователя при различных тех-
нологических нагрузках в режиме акустического резонанса.
Поставленная задача решается тем, что устройство фазовой автоматической подстройки
частоты задающего генератора включает в себя источник питания, задающий генератор,
усилитель мощности, выходной трансформатор тока, дроссель, дифференциальный транс-
форматор тока с двумя встречно включенными первичными обмотками, компенсирующий
конденсатор, пьезокерамический преобразователь и, согласно полезной модели, дополни-
тельно снабжено двумя встречно включенными диодами, подключенными к вторичной об-
мотке дифференциального трансформатора тока, а также конденсатором внешней время-
задающей цепи задающего генератора, при этом дифференциальный трансформатор тока
содержит одну вторичную обмотку. Встречно включенные диоды и конденсатор внешней
времязадающей цепи задающего генератора образуют фазовый детектор.
Сущность полезной модели поясняется фигурами: фиг. 1 - принципиальная схема уст-
ройства фазовой автоматической подстройки частоты; фиг. 2 - форма сигнала в точке КТ1
на фиг. 1.
Устройство ФАПЧ задающего генератора состоит из источника питания 1, задающего
генератора 2, усилителя мощности 3, выходного трансформатора тока 4, дросселя 8, диф-
ференциального трансформатора тока 7 с двумя встречно включенными первичными об-
мотками Iа и Iб, компенсирующего конденсатора 5, пьезокерамического преобразователя
6, двух встречно включенных диодов 9, подключенных к вторичной обмотке IIа диффе-
ренциального трансформатора тока 7, и конденсатора внешней времязадающей цепи 10
задающего генератора 2. Дифференциальный трансформатор тока 7 содержит одну вто-
ричную обмотку IIа. Встречно включенные диоды 9 и конденсатор внешней времязадаю-
щей цепи 10 задающего генератора 2 образуют фазовый детектор.
Работает устройство следующим образом. С источника питания 1 поступают напря-
жения, необходимые для работы задающего генератора 2 и усилителя мощности 3. За-
дающий генератор 2 вырабатывает сигнал, который поступает на усилитель мощности 3, а
затем на первичную обмотку I выходного трансформатора тока 4. При прохождении пол-
ного токового сигнала через вторичную обмотку II выходного трансформатора тока 4,
дроссель 8, пьезокерамический преобразователь 6, вторичную обмотку Iб дифференциально-
го трансформатора тока 7 через вторичную обмотку дифференциального трансформатора Iа и
компенсирующий конденсатор 5 проходит электрическая составляющая полного тока, в
результате взаимной компенсации встречно протекающих токов на встречно включенных
диодах 9 происходит выделение сигнала, соответствующего току механической ветви
полного тока акустической нагрузки и напряжению на ней. Если фаза сигнала, поступаю-
щего с дифференциального трансформатора тока 7, отстает от фазы тока перезарядки кон-
денсатора внешней времязадающей цепи 10, происходит увеличение частоты задающего
генератора 2 до наступления резонанса, а если опережает фазу тока перезарядки - умень-
шение частоты задающего генератора 2 до наступления резонанса. Таким образом, проис-
ходит сравнение фаз тока конденсатора внешней времязадающей цепи 10 задающего

4. BY 10643 U 2015.04.30
4
генератора 2 и полного тока механической ветви акустической системы пьезокерамическо-
го преобразователя 6 и соответствующее изменение частоты задающего генератора 2,
обеспечивающее поддержание механического резонанса пьезокерамического преобразо-
вателя 6.
Встречно включенные диоды 9 и конденсатор внешней времязадающей цепи 10 за-
дающего генератора 2 образуют фазовый детектор, на котором происходит сложение раз-
ности фаз конденсатора внешней времязадающей цепи 10 и тока механической ветви
полного тока акустической нагрузки. В результате меняются временные характеристики
конденсатора внешней времязадающей цепи 10, приводящие к прямому изменению часто-
ты задающего генератора 2.
Таким образом, разность фаз перезарядки конденсатора внешней времязадающей цепи
10 и тока механической ветви полного тока акустической нагрузки в результате сложения
на фазовом детекторе меняет временные характеристики конденсатора внешней времяза-
дающей цепи 10, приводящие к прямому изменению частоты задающего генератора 2.
На фиг. 2 в условной контрольной точке (КТ1) изображен сигнал перезарядки конден-
сатора внешней времязадающей цепи 10 задающего генератора 2. Данная форма сигнала
должна быть более-менее близка по форме к сигналу, поступающему с вторичной обмот-
ки IIа дифференциального трансформатора тока 7. При наложении данных сигналов друг
на друга происходит формирование фазового рассогласования этих двух сигналов, обес-
печивающих работу ФАПЧ.
Предложенная схема устройства ФАПЧ лишена недостатков прототипа, в ней отсут-
ствуют элементы ручной подстройки. Устройство содержит минимальное количество
деталей, обеспечивает работу любого задающего генератора, имеющего внешний время-
задающий конденсатор, подключенный одним выводом к общему источнику питания,
имеет в точке КТ 1 фиг. 1 характеристику, изображенную на фиг. 2, обеспечивает работу
пьезокерамического преобразователя с различными типами технологических нагрузок в
режиме акустического резонанса.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.