Результат интеллектуальной деятельности: Функциональный преобразователь с регулировкой амплитуды и фазы выходного колебания

Изобретение относится к устройствам, формирующим электрическое колебание, закон изменения которого отличается от закона изменения входного колебания, и может найти применение в автоматике, приборостроении, телемеханических, информационно-измерительных системах, синтезе сигналов специальной формы.

Известны функциональные преобразователи [1-3], формирующие периодические синусоидальные (косинусоидальные) колебания, а также колебания отличные от синусоидальных (прямоугольные, треугольные, пилообразные), на основе периодических двуполярных колебаний, форма которых отличается от формы выходного колебания. Недостатком их является низкая стабильность преобразования, поскольку формируемые колебания не синхронизируются входными.

Существуют функциональные преобразователи [4-6], в которых при формировании выходного колебания обеспечивается его автоподстройка к входному колебанию. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство [6], в котором на основе периодического двуполярного колебания одной формы создается двуполярное колебание другой формы, причем оба колебания имеют одну и ту же частоту. Для синхронизации входного и выходного колебаний в устройстве применяется астатическая система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), обеспечивающая высокую точность фазовой синхронизации входного и выходного колебаний. Кроме того, указанное устройство позволяет регулировать фазовый сдвиг выходного колебания относительно входного в диапазоне [0,2π] с разрешающей способностью, обеспечиваемой аналоговым элементом управления фазой.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя за счет введения дополнительной регулировки амплитуды выходного колебания. Регулирование амплитуды может потребоваться, например, при построении фазовращателей, в которых требуется выполнять раздельную независимую регулировку фазы и амплитуды выходного колебания [5, стр. 21].

Указанная цель достигается в устройстве [6], выбранном в качестве прототипа, содержащем кольцо ФАПЧ, состоящее из логического фазового дискриминатора (ЛФД); формирователя двуполярного напряжения с нелинейным законом изменения; фильтрующего звена, реализованного в виде параллельно включенных интегратора и пропорционального звена; подстраиваемого генератора, создающего двуполярное колебание требуемой формы с двумя переходами через нулевой уровень на периоде повторения колебания. Для применения ЛФД входное и выходное двуполярные колебания преобразуются в однополярные прямоугольные колебания с помощью компараторов с нулевым уровнем порога. В прототипе элемент задержки (линия задержки), позволяющий обеспечить реализацию заданного фазового сдвига выходного колебания относительно опорного, устанавливается во входной цепи (на опорном входе ЛФД). При этом увеличение значения задержки Δt опорного колебания линией задержки (ЛЗ) приводит к изменению разности фаз выходного колебания относительно опорного на периоде повторения в диапазоне от 0 до -2π. То есть положительное изменение величины задержки Δt вызывает отрицательное изменение разности фаз Δϕ<0 между подстраиваемым и опорным колебаниями.

Поскольку на основе одного опорного колебания можно создать несколько выходных колебаний с разными формами (законами изменения) колебаний и различными фазовыми сдвигами относительно опорного, линию задержки, обеспечивающую формирование заданного фазового сдвига, рациональнее разместить на входе ЛФД, на который подается формируемое колебание, преобразованное компаратором с нулевым порогом сравнения. При этом положительное изменение величины задержки Δt ЛЗ будет вызывать соответствующе положительное изменение разности фаз Δϕ≥0 подстраиваемого и опорного колебаний на периоде повторения в диапазоне от 0 до 2π.

Структура заявляемого устройства представлена на фиг. 1 и содержит следующие узлы: логический фазовый дискриминатор 1, формирователь двуполярных нелинейных управляющих напряжений 2, астатическое звено, состоящее из интегратора 3 и пропорционального звена 4, сумматор напряжений 5, подстраиваемый генератор 6, компараторы напряжений с нулевым порогом сравнения (преобразователи двуполярного напряжения в однополярное напряжение прямоугольной формы) 7 и 8, линию задержки 9 и регулятор уровня напряжения 10.

Опорное двуполярное напряжение U_вх подается на вход первого преобразователя 7 двуполярного напряжения в однополярное прямоугольное с уровнями цифровой логики, выходное напряжение U_оп которого подается на опорный вход ЛФД 1. Выходы ЛФД 1 подключены к входам формирователя нелинейных управляющих напряжений 2, выход которого соединен с входами интегратора 3 и пропорционального звена 4. Механизм работы формирователя 2 рассмотрен в [6, 7]. Выходы узлов 3 и 4 подключены к входам сумматора напряжения 5, выходной сигнал которого используется в качестве управляющего для подстраиваемого генератора (ПГ) 6. Выходное напряжение U_г ПГ 6 подается на вход регулятора напряжения 10, выход которого используется в качестве выхода функционального преобразователя. Выходное колебание U_вых, амплитуда которого изменяется регулятором напряжения 10, поступает на вход второго преобразователя 8, который изменяет форму двуполярного периодического колебания U_вых на однополярную прямоугольную U_пр с уровнями цифровой логики. Далее колебание U_пр, задержанное ЛЗ 9 и представленное в виде U_п, поступает на второй вход ЛФД 1.

Механизм работы заявляемого устройства поясняется временными диаграммами процессов, представленных на фиг. 2. Входное двуполярное напряжение U_вх прямоугольной формы (в принципе форма входного напряжения может быть произвольной, необходимым условием является то, что колебание должно быть двуполярным и иметь два перехода через нулевой уровень на периоде повторения), имеющее период повторения Г, подается на вход «+» преобразователя (компаратора) напряжения 7, на втором входе «-» которого устанавливается нулевой уровень напряжения. В результате на выходе компаратора 7 формируется однополярное прямоугольное напряжение U_оп, задержанное относительно U_вх на время t_к срабатывания компаратора.

Предлагаемое устройство позволяет выполнять независимые регулировки фазы Δϕ и амплитуды U_A выходного колебания, не влияющие на точность подстройки, обеспечиваемую кольцом ФАПЧ. Для упрощения анализа форма выходного колебания выбрана двуполярной треугольной.

Для анализа поведения предлагаемого устройства рассмотрим сначала процесс регулирования амплитуды U_вых при нулевом фазовом рассогласовании Δϕ=0 (Δt=0) входного U_вх и формируемого колебаний U_вых и одинаковой задержке t_к колебаний преобразователями формы колебаний 7 и 8, а затем изменение Δϕ≠0 при установленном (заданным стабильным) значении U_А.

Так как кольцо ФАПЧ обеспечивает синхронизацию колебаний U_оп и U_п с фазовой ошибкой Δϕ=0 [7], при отсутствии задержки колебания U_пр, элементом ЛЗ (Δt=0) колебания U_оп и U_пр (а, следовательно, U_вх и U_вых) также не будут иметь фазового рассогласования.

Для того чтобы обеспечивать регулировку уровня U_A (фиг. 2) выходного колебания U_вых регулятор напряжения 10 (фиг. 1) можно выполнить путем последовательного включенных делителя напряжения с коэффициентом передачи 0<n≤1 и усилителя напряжения на операционном усилителе с коэффициентом усиления m≥1. В этом случае общий коэффициент усиления К_у РН будет определяться как К_у=mn. Возможный вариант построения регулятора напряжения показан на фиг. 3, где n=R/(R_n+R) и m=1+R_m/R. Резисторы с сопротивлениями R_n и R_m выполнены регулируемыми.

Задержка t_а колебания U_г в регуляторе напряжения 10 (фиг. 2) на точность подстройки U_вх и U_вых влияния не оказывает, поскольку выходное напряжение снимается с выхода РН. В этом случае точность подстройки колебания U_вых относительно U_вх зависит от задержек элементов 8 (7) и 9, стоящих между вторым входом ЛФД и выходом устройства. Для рассматриваемого случая задержка Δt колебания элементом 9 условно принята равной 0.

Изменение амплитуды U_A (фиг. 2) выходного колебания U_вых на точность подстройки фазы также влияние не оказывает, поскольку за РН 10 (фиг. 1) установлен компаратор (преобразователь 8), формирующий однополярное прямоугольное колебание U_пр из U_вых. Изменение амплитуды колебания напряжения U_вых (за исключением случая U_вых=0) не изменяет формы колебания U_пр, формируемого на выходе преобразователя 8.

Далее рассмотрим влияние элемента задержки 9 (фиг. 1) на величину фазового рассогласования входного и выходного колебаний. Поскольку линия задержки 9 осуществляет задержку колебания с уровнями цифровой логики, в простейшем случае она может быть реализована на RC-цепочке со стабильными значениями сопротивления R и емкости С.

Так как задержка t_к колебаний элементами 7 и 8 (в случае равенства этих задержек) и задержка t_а элементом 10 (фиг. 1) не оказывают влияния на точность подстройки U_вх и U_вых, во временных диаграммах (фиг. 4), поясняющих работу предлагаемого устройства, примем их равными нулю (t_к=0, t_a=0). Это упростит анализ работы предлагаемого устройства при наличии задержки колебания U_пр (а следовательно и U_вых) линией задержки 9 (фиг. 1) на величину Δt≠0. Задержанное колебание U_п посредством кольца ФАПЧ с ЛФД будет точно (без фазовой ошибки) синхронизировано с U_оп. В результате колебание U_пр будет опережать колебание U_оп на время Δt. Так как принято, что задержки между колебаниями U_вх и U_оп, а также между U_вых и U_пр равны [в анализе их считаем отсутствующими (t_к=0)], можно считать, что фазовый сдвиг колебания U_вых относительно колебания U_вх составит величину Δϕ=2πΔt/Т.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А.с. №351222 МКИ G01G 7/26. Периодический функциональный преобразователь. / Р.В. Гончаров, Ю.С. Ращепляев. Заявлено 11.01.71. (№1616157.18-24); опубл. 13.09.72, Бюл. №27.

2. А.с. №769564 МКИ G01G 7/26. Функциональный преобразователь формы колебаний. / П.П. Глузман, А.И. Дворсон, В.В. Юдин, Э.Г. Башканский. Заявлено 11.09.78. (№2664785.18-24); опубл. 07.10.8, Бюл. №37.

3. Цифровые системы фазовой синхронизации / М.И. Жодзишский, С.Ю. Сила-Новицкий, В.А. Прасолов и др.; Под ред. М.И. Жодзишского. - М.: Сов. Роадио, 1980. - 208 с.

4. А.с. №1307467 МКИ G01G 7/26. Функциональный генератор с синхронизацией частоты. / В.П. Большаков. Заявлено 30.05.88. (№4431892/24-24); опубл. 07.02.90, Бюл. №5.

5. Жилин Н.С. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике. - Томск: Радио и связь, 1989. - 384 с.

6. Пат. РФ №2625047. МПК Н03В 27/00. Способ формирования периодических двуполярных колебаний с заданным фазовым сдвигом и устройство для его реализации / Холопов С.И. Заявлено 19.04.2016; опубл. 11.07.2017, Бюл. №20.

7. Холопов С.И. Анализ релейной системы ФАПЧ с обнуляемыми интеграторами // Вестник РГРТУ. 2011. №4 (выпуск 38). - С. 50-54.