Результат интеллектуальной деятельности: ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в аппаратуре связи, измерительной и вычислительной технике для формирования квадратурных гармонических сигналов нескольких частот и сигналов различной формы одинаковой частоты.

Известно устройство [1], содержащее источник квадратурных сигналов, первый и второй вычислители модулей, первый и второй квадраторы, сумматор, перемножитель, усилитель и формирователь биполярных сигналов прямоугольной формы, выход которого соединен с третьим выходом функционального генератора, второй выход которого соединен с входом формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы и с выходом сумматора, первый, второй, третий и четвертый входы которого соединены с выходами, соответственно, первого вычислителя модуля, первого квадратора, второго вычислителя модуля и второго квадратора, при этом к первому выходу источника квадратурных сигналов подключены первый вход перемножителя, а также входы первого вычислителя модуля и первого квадратора, к второму выходу источника квадратурных сигналов подключены второй вход перемножителя, а также входы второго вычислителя модуля и второго квадратора, причем усилитель включен между выходом перемножителя и первым выходом функционального генератора.

В устройстве формируются сигналы синусоидальной, треугольной формы, а также биполярный сигнал прямоугольной формы. Формирование сигнала треугольной формы возможно только при фиксированном (стабильном) значении амплитуды источника квадратурных сигналов.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип функциональный генератор [2], содержащий схему сравнения, перемножитель, первый сумматор, первый и второй управляемые интеграторы, инвертор, релейный элемент, первый и второй квадраторы, второй сумматор и вычислитель квадратного корня, включенный между выходом второго сумматора и вторым входом схемы сравнения, к выходу которой подключен первый вход перемножителя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, к выходу которого подключен первый вход первого управляемого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго управляемого интегратора, входом инвертора, входом первого квадратора и первым выходом функционального генератора, второй выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выходом второго управляемого интегратора и входом второго квадратора, к выходу которого подключен второй вход второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора, при этом к выходу инвертора подключен вход релейного элемента, выход которого соединен с вторым входом перемножителя и третьим выходом функционального генератора, первая управляющая шина которого соединена с вторыми входами первого и второго управляемых интеграторов, а вторая управляющая шина функционального генератора соединена с первым входом схемы сравнения.

В устройстве формируются сигналы синусоидальной, треугольной формы, а также биполярный сигнал прямоугольной формы. К недостатку устройства следует отнести невозможность сохранения высокой линейности синтезированного сигнала треугольной формы при изменении (регулировке) амплитуды квадратурных сигналов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства и сохранение высокой линейности сигнала треугольной формы при изменении амплитуды квадратурных гармонических сигналов в широких пределах.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в функциональный генератор, содержащий схему сравнения, перемножитель, первый сумматор, первый и второй управляемые интеграторы, инвертор, релейный элемент, первый и второй квадраторы, второй сумматор и вычислитель квадратного корня, включенный между выходом второго сумматора и вторым входом схемы сравнения, к выходу которой подключен первый вход перемножителя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, к выходу которого подключен первый вход первого управляемого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго управляемого интегратора, входом инвертора, входом первого квадратора и первым выходом функционального генератора, второй выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выходом второго управляемого интегратора и входом второго квадратора, к выходу которого подключен второй вход второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора, при этом к выходу инвертора подключен вход релейного элемента, выход которого соединен с вторым входом перемножителя и третьим выходом функционального генератора, первая управляющая шина которого соединена с вторыми входами первого и второго управляемых интеграторов, а вторая управляющая шина функционального генератора соединена с первым входом схемы сравнения, дополнительно введен формирователь сигнала треугольной формы, первый и второй входы которого подключены к выходам, соответственно, первого и второго управляемых интеграторов, третий, четвертый выходы формирователя сигнала треугольной формы соединены с выходами, соответственно, второго и первого квадраторов, а к выходу вычислителя квадратного корня подключен пятый вход формирователя сигала треугольной формы, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с четвертым и пятым выходами функционального генератора.

При этом формирователь сигнала треугольной формы выполнен из первого и второго вычислителей модуля, первого и второго вычитателей, третьего сумматора и делителя, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора и вторым выходом формирователя сигнала треугольной формы, первый выход которого соединен с выходом третьего сумматора, первый вход которого подключен к выходу первого вычитателя, выход второго вычитателя соединен с первым входом делителя, первый вычислитель модуля включен между первым входом формирователя сигнала треугольной формы и первым входом первого вычитателя, при этом третий и четвертый входы формирователя сигнала треугольной формы соединены, соответственно, с первым и вторым входами второго вычитателя, а между вторым входом формирователя сигнала треугольной формы и вторым входом первого вычитателя включен второй вычислитель модуля.

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 заявленному изобретению. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Введение в предлагаемый функциональный генератор формирователя сигнала треугольной формы, выполненного из двух вычислителей модуля, двух вычитателей, сумматора и делителя, а также организация новых связей между функциональными элементами позволило расширить функциональные возможности устройства и сохранить высокую линейность сигнала треугольной формы при изменении амплитуды квадратурных гармонических сигналов в широких пределах.

Изобретение поясняется структурной схемой функционального генератора (фиг.1) и графиками (фиг.2 - фиг.4), поясняющими принцип работы функционального генератора.

Функциональный генератор содержит схему сравнения 1, перемножитель 2, первый сумматор 3, первый 4 и второй 5 управляемые интеграторы, инвертор 6, релейный элемент 7, первый 8 и второй 9 квадраторы, второй сумматор 10, вычислитель квадратного корня 11 и формирователь сигнала треугольной формы 14, выполненный из первого 15 и второго 16 вычислителей модуля, первого 17 и второго 18 вычитателей, третьего сумматора 19 и делителя 20, при этом вычислитель квадратного корня 11 включен между выходом второго сумматора 10 и вторым входом схемы сравнения 1, к выходу которой подключен первый вход перемножителя 2, выход которого соединен с первым входом первого сумматора 3, к выходу которого подключен первый вход первого управляемого интегратора 4, выход которого соединен с первым входом второго управляемого интегратора 5, входом инвертора 6, входом первого квадратора 8, первым входом формирователя сигнала треугольной формы 14 и первым выходом функционального генератора, второй выход которого соединен с вторым входом первого сумматора 3, выходом второго управляемого интегратора 5, вторым входом формирователя сигнала треугольной формы 14 и входом второго квадратора 9, к выходу которого подключен третий вход формирователя сигнала треугольной формы 14 и второй вход второго сумматора 10, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора 8 и четвертым входом формирователя сигнала треугольной формы 14, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с четвертым и пятым выходами функционального генератора, третий выход которого соединен с вторым входом перемножителя 2 и выходом релейного элемента 7, вход которого подключен к выходу инвертора 6, при этом вторые входы первого 4 и второго 5 управляемых интеграторов соединены с первой управляющей шиной 12 функционального генератора, вторая управляющая шина которого соединена с первым входом схемы сравнения 1, причем к выходу вычислителя квадратного корня 11 подключен пятый вход формирователя сигнала треугольной формы 14, первый и второй входы которого соединены с входами, соответственно, первого 15 и второго 16 вычислителей модулей, третий и четвертый входы формирователя сигнала треугольной формы 14 соединены, соответственно, с первым и вторым входами второго вычитателя 18, выход которого соединен с первым входом делителя 20, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора 19 и вторым выходом формирователя сигнала треугольной формы 14, к первому выходу которого подключен выход третьего сумматора 19, первый вход которого соединен с выходом первого вычитателя модуля 17, первый и второй входы которого подключены к выходам, соответственно, первого 15 и второго 16 вычислителей модулей.

Функциональный генератор работает следующим образом.

Последовательно соединенные и замкнутые в кольцо первый 4 и второй 5 управляемые интеграторы, а также первый сумматор 3 образуют колебательную систему (КС) с двумя выходами (фиг.1). Первый 8 и второй 9 квадраторы, второй сумматор 10 и вычислитель квадратного корня 11 образуют датчик напряжения (ДН). Колебательная система, датчик напряжения, релейный элемент 7 с инвертором 6, схема сравнения 1 и перемножитель 2 образуют двухконтурную систему автоматического регулирования (САР).

При подаче управляющих напряжений E_f и E₀ на соответствующие входы 12 и 13 САР на выходах первого 4 и второго 5 управляемых интеграторов, то есть на втором и третьем выходах функционального генератора, после окончания переходных процессов устанавливаются (фиг.2) гармонические колебания N₁(t) и N₂(f), сдвинутые друг относительно друга на 90 эл. градусов

где A - амплитуда, а ω₀ - круговая частота сигналов N₁(t) и N₂(t), связанная с циклической частотой f₀ известным соотношением ω₀=2πf₀.

Частота f₀ определяется величиной напряжения E_f, поданного на вход 12, а амплитудное значение A - величиной опорного напряжения E₀, поданного на второй вход 13 функционального генератора.

На выходе релейного элемента 7 из инвертированного сигнала N₁(t) формируется сигнал N₃(t), который подается на первый выход функционального генератора.

Датчик напряжения работает следующим образом.

При поступлении сигнала N₁(t) на вход первого квадратора 8 и сигнала N₂(t) на вход второго квадратора 9 на выходе второго сумматора 10 формируется сигнал

где k₁ и k₂ - коэффициенты передачи второго сумматора 10, соответственно, по первому и второму входу; m₁ и m₂ - коэффициенты передачи, соответственно, первого 8 и второго 9 квадраторов.

При k₁m₁=k₂m₂=1 выражение (2) упрощается

На выходе вычислителя квадратного корня 11, то есть на выходе ДН, формируется постоянный сигнал E₂, амплитуда которого равна амплитуде A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t), то есть E₃=A.

На выходе схемы сравнения 1 формируется сигнал рассогласования

где k₃ и k₄ - коэффициенты передачи схемы сравнения 1, соответственно, по первому и второму входу.

При k₃=k₄=1 сигнал рассогласования U_e(t) будет равен разности опорного сигнала E₀ и сигнала E₂ с датчика напряжения, то есть U_e(t)=E₀-A.

При возрастании (уменьшении) амплитуды A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t) произойдет увеличение (уменьшение) сигнала рассогласования U_e(t).

Наличие отрицательной обратной связи приведет к восстановлению прежнего значения амплитудных значений квадратурных сигналов, которые будут отличаться от эталонного (заданного) значения E₀ на величину ошибки регулирования. Наличие интегрирующих (астатических) звеньев в замкнутой САР сводит ошибку регулирования (сигнал рассогласования) практически к нулю.

Рассмотрим принцип формирования квазилинейного сигнала треугольной формы N₄(t).

На выходе первого вычислителя модуля 15 формируется сигнал , который поступает на первый (неинвертирующий) вход первого вычитателя 17, а на выходе второго вычислителя модуля 16 - сигнал , который поступает на второй (инвертирующий) вход первого вычитателя 17 (фиг.3).

В результате суммирования сигналов S₁ и S₂ на выходе первого вычитателя 17 формируется квазилинейный сигнал

где k₅ и k₆ - коэффициенты передачи первого вычитателя 17 по первому и второму входам, соответственно.

При k₅=k₆=1 амплитуда сигнала M₁(t) будет равна амплитудному значению A сигналов N₁(t) и N₂(t).

На фиг.3 построены графики, иллюстрирующие принцип формирования синтезированного сигнала M₁(t), для нормированного значения амплитуды A^*=1. Значение текущего угла x=ω₀t выражено в радианах.

Период T₀ основной гармоники сигнала M₁(t) определяется частотой ω₀

T₀=1/f₀=2π/ω₀,

следовательно, частота основной гармоники ω₁ синтезированного сигнала треугольной формы M₁(t) равна удвоенному значению частоты ω₀ квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t)

ω₁=2ω₀ (или f₁=2f₀).

На участках «прямого хода» (от нуля до π/2) и «обратного хода» (от π/2 до π) сигнал M₁(t) имеет S-образные характеристики, то есть является «квазилинейным».

Линеаризация сигнала M₁(t) осуществляется следующим образом.

На выходе второго вычитателя 18 формируется корректирующий сигнал

где k₇ и k₈ - коэффициенты передачи второго вычитателя 18, соответственно, по первому и второму входу.

При k₇m₂=k₈m₁=1 выражение (6) упрощается

где ω₁=2ω₀ - частота гармонического сигнала M₂(t), равная удвоенному значению частоты ω₀ квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t).

Из (7) следует, что между амплитудой сигнала M₂(t) и амплитудой A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t) существует нелинейная (квадратичная) зависимость. При этом на первый вход третьего сумматора 19 поступает синтезированный сигнал M₁(t), амплитуда которого в точности равна амплитудному значению A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t).

При подаче сигнала M₂(t) косинусоидальной формы непосредственно на второй вход третьего сумматора 19 на его выходе будет сформирован «виртуальный» сигнал «V(t)», то есть сигнал, полученный при отсутствии делителя 20

При этом для нормированного значения амплитуды A^*=1 квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t) оптимальное значение коэффициента передачи сумматора 19 по первому входу принимается равным 1,25. Коэффициент передачи сумматора 19 по второму входу в этом случае выбирается из условия

Для нормированного (стабильного) значения амплитуды A*=1 квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t) справедливо соотношение

В том случае, если амплитуда A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t) будет изменяться (возрастать или уменьшаться), то выражение (10) не будет корректным и расчет коэффициентов k₉ и k₁₀ следует проводить по формуле (9).

В этом случае для заданного оптимального значения коэффициента передачи k₉ сумматора 19, оптимальное значение коэффициента передачи

Из (11) возникает необходимость в нелинейной коррекции коэффициента k₁₀ при изменении амплитуды A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t), что значительно усложнит практическую реализацию такого корректирующего устройства.

Делитель 20 позволяет значительно упростить реализацию корректирующего устройства.

На второй вход делителя 20 с выхода вычислителя квадратного корня 11 поступает постоянное напряжение E₂, амплитуда которого в точности равна амплитуде A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t).

На выходе делителя 20 формируется (фиг.2) сигнал косинусоидальной формы

который поступает на пятый выход функционального генератора и на второй вход третьего сумматора 19, при этом N₅(t)=S_k(t).

В результате суммирования сигналов M₁(t) и S_k(t) на выходе сумматора 19 формируется (фиг.4) сигнал

который поступает на четвертый выход функционального генератора (фиг.1).

Поскольку амплитуда корректирующего сигнала S_k(t) теперь становится равной значению A, то не возникает проблем с коррекцией синтезированного сигнала M₁(t), и при любых изменениях амплитуды A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t), то есть при их регулировке, будет сохраняться высокая линейность сигнала треугольной формы N₄(t).

Введение корректирующего сигнала S_k(t) косинусоидальной формы на второй вход сумматора 19 и выбор оптимальных значений коэффициентов k₉ и k₁₀ сумматора 19 позволило значительно повысить (более чем в 20 раз) линейность сигнала на четвертом выходе функционального генератора (фиг.4).

Использование предлагаемого изобретения позволит расширить функциональные возможности устройства и обеспечить его работоспособность при изменении амплитуды квадратурных сигналов в широких пределах.

Источники информации

1. Патент РФ 101291, МПК⁷ H03B 27/00. Функциональный генератор / Дубровин B.C., Зюзин A.M.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»). №2010137125/09; заявл. 06.09.2010; опубл. 10.01.11, Бюл. №1. - 8 с.: 5 ил.

2. Дубровин В.С. Многоконтурная система стабилизации управляемого генератора / В.С.Дубровин, В.В. Никулин // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2013. - №1. - С.74-82.