Результат интеллектуальной деятельности: ФОРМИРОВАТЕЛЬ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в измерительной технике и автоматике.

Известно устройство (синусный преобразователь) [Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. М.: Мир, 1982, рис. 11.26], работающее на принципе кусочной аппроксимации и позволяющее получить квазисинусоидальное напряжение из треугольного сигнала.

К недостаткам устройства следует отнести: высокий коэффициент искажений (0,42% при шести точках излома аппроксимирующей кривой с кусочно-постоянным наклоном); значительная погрешность при большой величине входного сигнала и значительная температурная погрешность формируемого сигнала. При увеличении количества точек излома подобные преобразователи становятся более точными, но и более сложными [Дворников О. Формирователь синусоидального напряжения. Современная электроника, 2008, №6, с. 42-45].

Известно устройство [Дубровин B.C., Зюзин A.M. Формирователь гармонического сигнала. Пат. Российской Федерации №108248, Н03В 28/00. Заявка: 2011119055/08, 12.05.2011. Опубликовано: 10.09.2011, Бюл. №25], содержащее управляемый фильтр, двусторонний ограничитель, усилитель и преобразователь «частота-напряжение», при этом выход управляемого фильтра соединен с входом усилителя, выход которого соединен с выходом формирователя гармонического сигнала, вход формирователя гармонического сигнала соединен с входом двустороннего ограничителя и входом преобразователя «частота-напряжение», к выходу которого подключена управляющая шина управляемого фильтра, причем выход двустороннего ограничителя соединен с входом управляемого фильтра.

Управляемый фильтр выполнен из четырех однотипных последовательно соединенных фильтров нижних частот, управляющие входы которых соединены с управляющей шиной управляемого фильтра, вход и выход которого соединены, соответственно, с входом первого фильтра нижних частот и с выходом четвертого фильтра нижних частот.

Фильтр нижних частот выполнен из операционного усилителя, перемножителя, конденсатора и двух резисторов, причем конденсатор включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход - с выходом перемножителя, второй резистор включен между инвертирующим входом операционного усилителя и выходом перемножителя, управляющий вход которого соединен с управляющим входом фильтра нижних частот, при этом первый резистор включен между инвертирующим входом операционного усилителя и входом фильтра нижних частот.

Двусторонний ограничитель выполнен из вычислителя модуля, пикового детектора, трех операционных усилителей, инвертора, трех резисторов и двух диодов, причем к входу двустороннего ограничителя подключены неинвертирующий вход первого операционного усилителя и вход вычислителя модуля, выход которого соединен с входом пикового детектора, последовательно соединенные второй и третий резисторы включены между выходом пикового детектора и общей шиной, к общей точке соединения второго и третьего резисторов подключены неинвертирующий вход второго операционного усилителя и вход инвертора, выход которого соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, при этом инвертирующие входы всех операционных усилителей подключены к выходной шине двустороннего ограничителя, к которой также подключены один вывод третьего резистора, анод первого диода и катод второго диода, свободный вывод третьего резистора, катод первого диода и анод второго диода соединены с выходами, соответственно, первого, второго и третьего операционных усилителей.

Устройство предназначено для формирования гармонического сигнала при подаче на вход сигнала треугольной формы, амплитуда и частота которого изменяются в широком диапазоне, но отличается повышенной сложностью.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип умножитель частоты квадратурных сигналов [Дубровин B.C., Зюзин A.M. Умножитель частоты квадратурных сигналов. Пат. Российской Федерации №103993, Н03В 19/00. Заявка: 2010148151/09, 25.11.2010. Опубликовано: 27.04.2011, Бюл. №12], который содержит первый и второй делители, перемножитель, первый и второй квадраторы, масштабирующий усилитель, вычитатель, первый и второй пиковые детекторы, причем первый и второй входы умножителя частоты квадратурных сигналов соединены, соответственно, с информационными входами первого и второго делителей, первый и второй входы перемножителя соединены, соответственно, со входами первого и второго квадраторов, к выходам которых подключены, соответственно, первый и второй входы вычитателя, выход перемножителя соединен с входом масштабирующего усилителя, при этом первый и второй выходы умножителя частоты квадратурных сигналов соединены с выходами, соответственно, масштабирующего усилителя и вычитателя, при этом входы первого и второго пиковых детекторов соединены, соответственно, с первым и вторым входами умножителя частоты квадратурных сигналов, а их выходы - с управляющими входами, соответственно, первого и второго делителей, к выходам которых подключены входы, соответственно, первого и второго квадраторов.

Устройство предназначено для формирования двух гармонических сигналов, сдвинутых друг относительно друга на 90 электрических градусов, и позволяет формировать стабильные по амплитуде сигналы с частотой, в два раза выше частоты входных сигналов, причем амплитудные значения входных сигналов могут изменяться произвольным образом в широких пределах, то есть при их значительной амплитудной асимметрии.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства и получение на его выходе гармонического сигнала с минимальными нелинейными искажениями при подаче на входы формирователя сигналов треугольной формы, амплитуда и частота которых могут изменяться в широких диапазонах и при значительной асимметрии амплитуд входных сигналов.

Технический результат от использования предлагаемого формирователя гармонического сигнала заключается в расширении функциональных возможностей устройства и получении на его выходе гармонического сигнала с минимальными нелинейными искажениями при подаче на входы формирователя сигналов треугольной формы, амплитуда и частота которых могут изменяться в широких диапазонах и при значительной асимметрии амплитуд входных сигналов.

Указанный технический результат достигается тем, что в формирователь гармонического сигнала, содержащий первую и вторую входные шины, двухканальный стабилизатор амплитуды, перемножитель и масштабирующий усилитель, вход которого подключен к выходу перемножителя, первый и второй входы которого соединены с соответствующими выходами двухканального стабилизатора амплитуды, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с первой и второй входными шинами, дополнительно введен блок коррекции, включенный между выходом масштабирующего усилителя и выходом формирователя гармонического сигнала, при этом блок коррекции выполнен из второго и третьего перемножителей и сумматора, первый вход которого подключен к выходу третьего перемножителя, второй вход которого соединен со вторым входом сумматора, с входом блока коррекции, с первым и вторым входами второго перемножителя, к выходу которого подключен первый вход третьего перемножителя, причем выход сумматора соединен с выходом блока коррекции.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными по всем существенным признакам заявленному изобретению. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «новизна».

Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является введение в устройство блока коррекции и организация новых функциональных связей между элементами, что позволило получить на его выходе гармонический сигнал с минимальными нелинейными искажениями при подаче на входы формирователя сигналов треугольной формы, амплитуда и частота которых могут изменяться в широких диапазонах и при значительной асимметрии амплитуд входных сигналов.

Изобретение поясняется структурной схемой формирователя гармонического сигнала (фиг. 1) и графиками (фиг. 2), поясняющими принцип работы формирователя гармонического сигнала.

Формирователь гармонического сигнала (фиг. 1) содержит первую 1 и вторую 2 входную шину, двухканальный стабилизатор амплитуды 3, перемножитель 4, масштабирующий усилитель 5 и блок коррекции 6, включенный между выходом масштабирующего усилителя 5 и выходом формирователя гармонического сигнала, при этом блок коррекции 6 выполнен из второго 7 и третьего 8 перемножителей и сумматора 9, первый вход которого подключен к выходу третьего перемножителя 8, второй вход которого соединен со вторым входом сумматора 9, с входом блока коррекции 6, с первым и вторым входами второго перемножителя 7, к выходу которого подключен первый вход третьего перемножителя 8, причем выход сумматора 9 соединен с выходом блока коррекции 6.

Формирователь гармонического сигнала работает следующим образом.

На входные шины 1 и 2 поступают (фиг. 2, а) линейно-изменяющиеся сигналы V₁(t) и V₂(t), сдвинутые друг относительно друга на 90 электрических градусов, амплитудные значения которых L_1m и L_2m могут иметь значительную амплитудную асимметрию и разнополярные отклонения от нормированного значения А.

На выходе двухканального стабилизатора амплитуды 3 формируются (фиг. 2, б) стабильные по амплитуде сигналы L₁(t) и L₂(t).

Для нахождения аналитических выражений сигналов L₁(t) и L₂(t) используем общее выражение для прямой y=kx+b, проходящей через две точки с координатами (х₁, y₁) и (х₂, у₂)

где x - текущее значение угла в радианах.

Для упрощения рассуждений примем, что амплитудные значения сигналов L₁(t) и L₂(t) равны нормированному значению А^*=1.

Подставив в (1) координаты двух граничных точек [х₁=0, y₁=0; х₂=π/2, y₂=1], получим

Подставив в (1) координаты двух других граничных точек [х₁=0, y₁=1; х₂=π/2, y₂=0] для второго участка сигнала L(t), получим

В результате перемножения сигналов L₁(t) и L₂(t) на выходе перемножителя 4 формируется сигнал

где m₁ - масштабный коэффициент перемножителя 4, который для упрощения можно принять равным единице.

Сигнал (фиг. 2, б) на выходе масштабирующего усилителя 5

где K - коэффициент усиления масштабирующего усилителя 5.

Анализ графиков (фиг. 2, а) показывает, что экстремальное (максимальное) значение сигнала S(x) будет соответствовать углу x₀=π/4 (для интервала x∈[0; π/2]). Подставив найденное значение х₀ в уравнение (5), при котором максимальное значение сигнала S(x) будет равно нормированному амплитудному значению А^*=1, получим

Из уравнения (6) следует, что необходимый коэффициент усиления K=4 обеспечивает заданное нормированное значение амплитуды формируемого сигнала S(t), равное единице.

Таким образом, на выходе усилителя 5 формируется квазигармонический сигнал S(t), коэффициент искажения которого, измеренный с помощью блока (THD - Total harmonic distortion) программы PSIM 9, K_f1=3,746%.

Для улучшения спектрального состава гармонического сигнала используется блок коррекции 6, состоящий из двух квадраторов 7, 8 и перемножителя 9.

Корректирующий сигнал S_k(t) на выходе третьего перемножителя 8 (фиг. 2, в)

где m₂ и m₃ - масштабные коэффициенты, соответственно, второго 7 и третьего 8 перемножителей.

При m₂=m₃=1 получим

На первый вход сумматора 9 поступает корректирующий сигнал S_k(t), а на второй - квазигармонический сигнал S(t). Таким образом, на выходе сумматора 9 формируется сигнал

где k₁₁ и k₁₂ - коэффициенты передачи сумматора 9 по первому и второму входам, соответственно.

При совместном решении уравнений (5), (8) и (9) получим

С целью упрощения введем следующее обозначение

При x=0 и х=π/2 значения D(0)=D(π/2)=0, а при х=х₀ значение D(х₀)=D(π/4)=1/4.

Произведение K·D(x₀)=4·(1/4)=1, поэтому выражение (10) можно значительно упростить

Зададим амплитуду сигнала N(x), равную нормированному значению А^*=1, тогда

Следовательно, коэффициенты k₁₁ и k₁₂ должны быть связаны следующей зависимостью

Минимизация коэффициента гармоник происходит при оптимальных значениях и .

В этом случае коэффициент искажения выходного сигнала N(t), измеренный с помощью блока (THD - Total harmonic distortion) программы PSIM 9, K_f2=0,144%.

Эффективность введения корректирующего сигнала S_k(t) можно определить с помощью коэффициента γ=K_f1/K_f2=3,746/0,144=26, таким образом, искажения выходного сигнала N(t) уменьшились примерно в 26 раз.

Использование предлагаемого изобретения позволит расширить функциональные возможности устройства и получить на его выходе гармонический сигнал с минимальными нелинейными искажениями при подаче на входы формирователя сигналов треугольной формы, амплитуда и частота которых могут изменяться в широких диапазонах и при значительной амплитудной асимметрии амплитуд входных сигналов.