Результат интеллектуальной деятельности: ФОРМИРОВАТЕЛЬ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в системах автоматического управления, в измерительных устройствах, в управляемых фазовращателях, а также при построении многофазных генераторов.

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].

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип управляемый генератор [пат. RU №2506692, МПК⁷ H03B 27/00. Управляемый генератор / Дубровин B.C., заявитель и патентообладатель Дубровин Виктор Степанович. - №2012137334/08; заявл. 31.08.12; опубл. 10.02.14, Бюл. №4], который содержит два перемножителя, два интегратора, релейный элемент, сумматор и блок управления, при этом выход первого интегратора соединен с первым входом второго перемножителя, входом релейного элемента, первым входом блока управления и первым выходом управляемого генератора, выход второго интегратора соединен со вторым выходом управляемого генератора, вторым входом блока управления и вторым входом сумматора, к выходу которого подключен первый вход первого перемножителя, второй вход которого соединен с управляющей шиной управляемого генератора, и вторым входом второго перемножителя, причем выходы первого и второго перемножителей соединены соответственно с входами первого и второго интеграторов, третий и четвертый входы блока управления соединены соответственно с выходом релейного элемента и шиной опорного напряжения, а выход блока управления соединен с первым входом сумматора.

Блок управления выполнен из трех квадраторов, сумматора, умножителя, ограничителя и инвертора, при этом первый, второй и третий входы сумматора соединены соответственно с выходами первого, второго квадраторов и с выходом инвертора, вход которого соединен с выходом третьего квадратора, причем первый, второй и третий входы блока управления соединены соответственно с входами первого, второго и третьего квадраторов, четвертый вход блока управления соединен со вторым входом перемножителя, первый вход которого соединен с выходом сумматора, между выходом которого и выходом блока управления включен ограничитель.

Устройство предназначено для формирования квадратурных гармонических сигналов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства и получение на его выходе гармонического сигнала с высокими метрологическими характеристиками при подаче на вход сигнала треугольной формы, частота которого изменяется в широком диапазоне.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей предлагаемого устройства за счет введения блока формирования управляющих импульсов и источника опорного напряжения, а также организации новых связей между элементами, что позволило получить на его выходе гармонический сигнал с высокими метрологическими характеристиками при подаче на вход сигнала треугольной формы, частота которого изменяется в широком диапазоне.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в формирователь гармонического сигнала, содержащий первый и второй квадраторы, сумматор и перемножитель, выход которого соединен с выходной шиной формирователя гармонического сигнала, между входной шиной которого и первым входом сумматора включен первый квадратор, при этом выход второго квадратора соединен со вторым входом сумматора, к выходу которого подключен первый вход перемножителя, дополнительно введены блок формирования управляющих импульсов и источник опорного напряжения, плюсовой зажим которого соединен с общей шиной, а минусовой подключен к третьему входу сумматора, причем блок формирования управляющих импульсов включен между управляющей шиной формирователя гармонического сигнала и вторым входом перемножителя, а выход первого квадратора соединен с входом второго квадратора.

Блок формирования управляющих импульсов может быть выполнен из последовательно соединенных дифференцирующего устройства и усилителя-ограничителя, при этом вход и выход блока формирования управляющих импульсов соединены с входом дифференцирующего устройства и выходом усилителя-ограничителя.

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

Введение в предлагаемое устройство блока формирования управляющих импульсов и источника опорного напряжения, а также организация новых связей между элементами позволило получить на его выходе гармонический сигнал с высокими метрологическими характеристиками при подаче на вход сигнала треугольной формы, частота которого изменяется в широком диапазоне.

Изобретение поясняется структурной схемой формирователя гармонических сигналов (фиг. 1) и графиками (фиг. 2 - фиг. 4), поясняющими принцип работы формирователя гармонических сигналов.

Формирователь гармонического сигнала (фиг. 1) содержит первый 1 и второй 2 квадраторы, сумматор 3, перемножитель 4, блок формирования управляющих импульсов 5 и источник опорного напряжения 6, плюсовой зажим которого соединен с общей шиной, а минусовой подключен к третьему входу сумматора 3, к выходу которого подключен первый вход перемножителя 4, выход которого соединен с выходной шиной формирователя гармонического сигнала, между управляющей шиной которого и вторым входом перемножителя включен блок формирования управляющих импульсов 5, при этом первый и второй входы сумматора 3 соединены с выходами соответственно первого 1 и второго 2 квадраторов, причем первый квадратор 1 включен между управляющей шиной формирователя гармонического сигнала и входом второго квадратора 2.

Блок формирования управляющих импульсов 5 может быть выполнен из последовательно соединенных дифференцирующего устройства 7 и усилителя-ограничителя 8, при этом вход и выход блока формирования управляющих импульсов 5 соединены с входом дифференцирующего устройства 7 и выходом усилителя-ограничителя 8.

Формирователь гармонического сигнала работает следующим образом.

На входную шину (фиг. 1) поступает (фиг. 2) линейно-изменяющийся сигнал S(t) с амплитудным значением A, частота f₀ и период T₀ повторения которого связаны следующим соотношением f₀=1/T₀.

Для нахождения аналитических выражений сигнала S(t) используем общее выражение для прямой y=kx+b, проходящей через две точки с координатами (х₁,y₁) и (х₂,y₂)

где x - текущее значение угла в радианах.

Подставив в (1) координаты двух граничных точек [x₁=0, y₁=-A; х₂=π, y₂=А] для первого участка сигнала S(t), получим

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

Для упрощения рассуждений примем, что амплитудные значения сигнала S(t) равны нормированному значению A=A^*=1.

В этом случае

Рассмотрим работу формирователя гармонического сигнала на первом участке при x∈[π;2π]. На выходе первого 1 и второго 2 квадраторов формируются (фиг. 2) соответствующие сигналы

Сумматор 3 является инвертирующим, поэтому на его выходе будет сформирован сигнал

где k₁₁, k₁₂ и k₁₃ - коэффициенты передачи сумматора 3 по соответствующим входам, Е₀ - величина опорного напряжения источника 6.

Виртуальные сигналы L₁(t)=-[k₁₁·V₁(t)] и L₂(t)=[k₁₂·V₂(t)] изображены на фиг. 3,б. В результате суммирования трех сигналов на выходе сумматора 3 формируется (фиг. 3,в) однополярный сигнал M(t), практически совпадающий по форме с гармоническим сигналом.

При k₁₃=1, Е₀=1 и с учетом (5) получим

При x=0 и x=π (фиг. 2)

Из уравнения (7) найдем зависимость между коэффициентами k₁₁ и k₁₂

Подставив значение коэффициента k₁₂ из (8) в уравнение (6`), получим

Максимальное (экстремальное) значение M_max будет (фиг. 3,в) при x=π/2

Формирование прямоугольных биполярных импульсов (фиг. 3) происходит следующим образом.

При поступлении на вход дифференцирующего устройства 7 сигнала треугольной формы S(t) на его выходе формируется (фиг. 3,г) биполярный сигнал прямоугольной формы D(t), амплитудные значения которого D_m будут изменяться с изменением частоты f₀.

Поскольку текущее значение угла x=ωt=2π·f₀·t, то

где τ - постоянная времени дифференцирующего устройства.

При изменении частоты f₀ входного сигнала S(t) в широких пределах (например, в пределах одной декады) амплитудные значения D_m сигнала D(t) также будут изменяться в десять раз. Для исключения подобного явления на выходе дифференцирующего устройства 7 включен усилитель-ограничитель 8, который из сигнала D(t) с изменяющейся амплитудой D_m формирует (фиг. 3, д) биполярный управляющий сигнал прямоугольной формы с постоянными значениями амплитуды, равными нормированному значению E_Уm=±1.

Формирование гармонического сигнала N(t) происходит с помощью фазового модулятора, выполненного из перемножителя 4, на первый вход которого поступает (фиг. 3,в) однополярный сигнал M(t), а на другой - управляющий сигнал E_У(t) с выхода формирователя 5 (фиг. 3,д).

Для оценки погрешности ε(x) найдем разность между сигналом M(x) и М₀(x) для идеальной синусоиды

причем, как следует из (9), величина погрешности будет зависеть от значения коэффициента k₁₁. Минимизация ошибки ε(x) происходит при значении коэффициента k₁₁≈1,2232, при этом коэффициент k₁₂≈0,2232. При нормированном значении амплитуды A^*, равном одному вольту (фиг. 4,а), максимальное значение величины погрешности (фиг. 4,б) примерно равно одному милливольту. Таким образом, на выходе перемножителя 4 формируется гармонический сигнал N(t), коэффициент искажения которого не превышает 0,072% при оптимальных значениях коэффициентов k_11opt=1,2232 и k_12opt=0,2232. Оптимизация коэффициентов и измерение нелинейных искажений производились с помощью блока (THD-Total harmonic distortion) программы PSIM 9.

Использование предлагаемого изобретения позволит расширить функциональные возможности устройства и получить на его выходе гармонический сигнал с высокими метрологическими характеристиками, при подаче на вход сигнала треугольной формы, амплитуда и частота которого изменяются в широком диапазоне.