ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР

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

Известно устройство [1], содержащее источник квадратурных сигналов, два двухполупериодных выпрямителя, сумматор и формирователь биполярных прямоугольных импульсов, причем первый и второй выходы источника квадратурных сигналов соединены, соответственно, с входами первого и второго двухполупериодных выпрямителей, выходы которых соединены с входами сумматора, к выходу которого подключен формирователь биполярных прямоугольных импульсов, при этом первый, второй и третий выходы функционального генератора соединены, соответственно, с первым выходом источника квадратурных сигналов, с выходом сумматора и выходом формирователя биполярных прямоугольных импульсов.

Синтезированный сигнал треугольной формы имеет S-образные характеристики, как на участке прямого хода (линейно-нарастающее напряжение), так и на участке обратного хода (линейно-спадающее напряжение) и имеет весьма низкую линейность [2], что существенно сужает область практического применения схемы. Кроме того, частота сигнала треугольной формы и биполярного сигнала прямоугольной формы вдвое превышает частоту исходного гармонического сигнала, что не позволяет при фиксированной настройке генератора получить одинаковые значения частот на всех выходах генератора. Следует также учитывать, что для формирования «квазилинейного» сигнала треугольной формы требуются квадратурные гармонические сигналы, что в условиях перестройки частоты в широких пределах также вызывает определенные трудности.

Известно устройство [3], содержащее генератор сигналов треугольной формы, первый выход которого подключен к выходному зажиму релейной функции, а второй выход - к выходному зажиму линейной функции и к входу функционального преобразователя, выход которого соединен с выходным зажимом синусоидальной функции. В современных функциональных генераторах для формирования гармонического сигнала из сигнала треугольной формы наибольшее распространение получили диодные функциональные преобразователи, а также преобразователи с использованием ΒΑΧ полевых транзисторов, в основе которых лежит принцип кусочно-линейной либо кусочно-нелинейной аппроксимации напряжения синусоидальной формы. Однако, весь спектр основных требований (малый коэффициент гармоник, отсутствие постоянной составляющей в сигнале синусоидальной формы, широкий диапазон рабочих частот, инвариантность к изменениям амплитуды сигнала треугольной формы, низкая точность воспроизведения функции синуса при изменении температуры и питающих напряжений и т.д.) достаточно сложно обеспечить при использовании подобных функциональных преобразователей [4].

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип удвоитель частоты сигнала [5], содержащий формирователь биполярных импульсов, первый и второй формирователи коротких импульсов, инвертор, первый и второй управляемые интеграторы, каждый из которых выполнен из интегрирующего усилителя и ключа, схему сравнения и выходной формирователь, при этом первый и второй входы схемы сравнения подключены к выходам, соответственно, первого и второго управляемых интеграторов, инвертор включен между выходом формирователя биполярных сигналов и первым входом первого управляемого интегратора, второй вход которого соединен с выходом первого формирователя коротких импульсов, вход которого соединен с входом формирователя биполярных импульсов и входом второго формирователя коротких импульсов, к выходу которого подключен второй вход второго управляемого интегратора, первый вход которого соединен с выходом формирователя биполярных импульсов, причем к выходу схемы сравнения подключен первый вход выходного формирователя, выход которого соединен с выходом удвоителя частоты сигнала, вход которого соединен с формирователем биполярных импульсов и вторым входом выходного формирователя.

При подаче на вход устройства сигнала прямоугольной формы с амплитудным значением, изменяющимся в широких пределах, на выходе устройства также формируются сигналы прямоугольной формы, но с частотой, равной удвоенной частоте входного сигнала.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства путем получения на его выходах наряду с гармоническим сигналом сигналов треугольной формы и биполярных сигналов прямоугольной формы, амплитудные значения которых остаются стабильными при изменении частоты и амплитуды входного сигнала в широких пределах.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей путем получения на его выходах наряду с гармоническим сигналом сигналов треугольной формы и биполярных сигналов прямоугольной формы, амплитудные значения которых остаются стабильными при изменении частоты и амплитуды входного сигнала в широких пределах.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в функциональный генератор, содержащий формирователь биполярных импульсов, первый и второй формирователи коротких импульсов, инвертор, первый и второй управляемые интеграторы, схему сравнения и выходной формирователь, при этом первый и второй входы схемы сравнения подключены к выходам соответственно первого и второго управляемых интеграторов, инвертор включен между выходом формирователя биполярных сигналов и первым входом первого управляемого интегратора, второй вход которого соединен с выходом первого формирователя коротких импульсов, вход которого соединен с входом формирователя биполярных импульсов и входом второго формирователя коротких импульсов, к выходу которого подключен второй вход второго управляемого интегратора, первый вход которого соединен с выходом формирователя биполярных импульсов, причем к выходу схемы сравнения подключен первый вход выходного формирователя, выход которого соединен с третьим выходом функционального генератора, второй выход которого подключен к выходу формирователя биполярных импульсов, дополнительно введены источник гармонического сигнала и компаратор, выход которого соединен с входом формирователя биполярных импульсов, один вывод источника гармонического сигнала соединен с первым выходом функционального генератора и неинвертирующим входом компаратора, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной, причем второй и третий входы выходного формирователя подключены к выходам соответственно второго и первого формирователей коротких импульсов, а свободный вывод источника гармонического сигнала соединен с общей шиной.

Формирователь биполярных импульсов может быть выполнен из сумматора и источника опорного напряжения, плюсовой зажим которого соединен с общей шиной, а минусовой - со вторым входом сумматора, первый вход которого соединен с входом формирователя биполярных импульсов и выход которого подключен к выходу сумматора.

Выходной формирователь может быть выполнен из третьего управляемого интегратора, устройства выборки-хранения, делителя и источника постоянного напряжения, плюсовой зажим которого соединен с общей шиной, а минусовой - с первым входом третьего управляемого интегратора, второй вход которого соединен со вторым входом выходного формирователя, первый вход которого соединен с первым входом делителя, второй вход которого подключен к выходу устройства выборки-хранения, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом третьего управляемого интегратора и третьим входом выходного формирователя, выход которого соединен с выходом делителя.

Первый и второй формирователи коротких импульсов могут быть выполнены из одновибраторов.

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, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Введение в предлагаемый функциональный генератор источника гармонического сигнала и компаратора, а также организация новых связей между функциональными элементами позволили расширить функциональные возможности устройства и получить на его выходах наряду с гармоническим сигналом сигналы треугольной формы и биполярные сигналы прямоугольной формы, амплитудные значения которых остаются стабильными при изменении частоты и амплитуды входного сигнала в широких пределах.

Изобретение поясняется структурной схемой функционального генератора, изображенной на фиг. 1, и графиками, поясняющими принцип работы функционального генератора, - на фиг. 2.

Функциональный генератор содержит формирователь биполярных импульсов 1, первый 2 и второй 3 формирователи коротких импульсов, инвертор 4, первый 5 и второй 6 управляемые интеграторы, схему сравнения 7, выходной формирователь 8, источник гармонического сигнала 9 и компаратор 10, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной. Источник гармонического сигнала 9 включен между общей шиной и неинвертирующим входом компаратора 10, к выходу которого подключен вход формирователя биполярных импульсов 1, между выходом которого и первым входом первого управляемого интегратора 5 включен инвертор 4. Первый формирователь коротких импульсов 2 включен между выходом компаратора 10 и вторым входом первого управляемого интегратора 5, а второй формирователь коротких импульсов 3 включен между выходом компаратора 10 и вторым входом второго управляемого интегратора 6. Первый выход функционального генератора соединен с неинвертирующим входом компаратора 10, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной, второй вход функционального генератора соединен с первым входом второго управляемого интегратора 6 и выходом формирователя биполярных импульсов 1, вход которого подключен к выходу компаратора 10, а третий выход функционального генератора соединен с выходом выходного формирователя 8, первый вход которого подключен к выходу схемы сравнения 7, первый и второй входы которой соединены с выходами соответственно первого 5 и второго 6 формирователей коротких импульсов, при этом второй и третий входы выходного формирователя 8 подключены к выходам соответственно второго 3 и первого 2 формирователей коротких импульсов.

Формирователь биполярных импульсов 1 может быть выполнен из сумматора 11 и источника опорного напряжения 12, плюсовой зажим которого соединен с общей шиной, а минусовой - со вторым входом сумматора 11, первый вход которого соединен с входом формирователя биполярных импульсов 1 и выход которого подключен к выходу сумматора 11.

Выходной формирователь 8 может быть выполнен из третьего управляемого интегратора 13, устройства выборки-хранения 14, делителя 15 и источника постоянного напряжения 16, плюсовой зажим которого соединен с общей шиной, а минусовой - с первым входом третьего управляемого интегратора 13, второй вход которого соединен со вторым входом выходного формирователя 8, первый вход которого соединен с первым входом делителя 15, второй вход которого подключен к выходу устройства выборки-хранения 14, первый вход которого соединен с выходом третьего управляемого интегратора 13, второй вход которого соединен со вторым входом выходного формирователя 8, третий вход и выход которого соединены соответственно со вторым входом устройства выборки-хранения 14 и выходом делителя 15.

Первый 2 и второй 3 формирователи коротких импульсов могут быть выполнены из одновибраторов.

Функциональный генератор работает следующим образом.

При подаче на неинвертирующий вход компаратора 10 гармонического сигнала S₁(t)=A₁sin(ωt) с амплитудным значением А₁ и частотой ω=2πf на его выходе формируется (фиг. 2) последовательность видеоимпульсов V(t) с амплитудным значением U_m1.

Сумматор 11 и источник постоянного напряжения 12 образуют формирователь биполярных импульсов 1, на выходе которого формируются биполярные сигналы прямоугольной формы S₂(t), поступающие на второй выход функционального генератора

где k₁ и k₂ - коэффициенты передачи сумматора 11 по соответствующим входам.

При равенстве коэффициентов k₁=k₂=α и при выборе величины опорного напряжения Е₀₁=U_m1/2 на втором выходе функционального генератора будут сформированы симметричные биполярные сигналы прямоугольной формы S₂(t), амплитудные значения которых U_m2=α·U_m1/2.

Таким образом, максимальные значения U_m2 и -U_m2 (фиг. 2) сигнала S₂(t) будут определяться величиной опорного напряжения U₀₁ источника 12 и значениями коэффициентов передачи сумматора 11.

Одновибраторы 2 и 3, срабатывающие соответственно по задним и передним фронтам видеоимпульсов, V(t) формируют соответствующие узкие стробирующие импульсы D₁ и D₂.

Сигнал S₂(t) на первый вход второго управляемого интегратора 6 подается непосредственно, а на первый вход первого управляемого интегратора 5 - через инвертор 4.

Все управляемые интеграторы 5, 6 и 13 являются инвертирующими, поэтому их выходные сигналы будут сдвинуты по отношению к входным на 180 электрических градусов.

При поступлении биполярных сигналов на первые входы управляемых интеграторов 5 и 6 на их выходах начинают формироваться (фиг. 2) линейно изменяющие сигналы L₁(t) и L₂{t), максимальные (амплитудные) значения которых L_m1 и L_m2 будут зависеть от амплитудных значений U_m2 сигнала S₂(t) и постоянных времени τ₁ и τ₂ соответствующих управляемых интеграторов 5 и 6.

Стробирующие импульсы D₁ и D₂, поступающие на вторые входы управляемых интеграторов 5 и 6, производят их сброс, то есть «привязку» к нулевому уровню соответствующих сигналов L₁(t) и L₂(t), что исключает смещение («сползание») этих сигналов из-за наличия различных дестабилизирующих факторов и, прежде всего, из-за дрейфа нулевого уровня самих интеграторов.

При достижении максимальных значений L_m1 и L_m2 (фиг. 2) полярность входных сигналов, поступающих на первые входы соответственно первого 5 и второго 6 управляемых интеграторов, меняется на противоположную, поэтому начинается формирование падающих участков сигналов L₁(t) и L₂(t). Затем с помощью стробирующих импульсов D₁ и D₂ происходит «привязка» сигналов L₁(t) и L₂(t) к нулевому уровню, и процесс их формирования повторяется.

Найдем максимальное значение L_ml (фиг. 2) сигнала L₁(t) с помощью выражения

где U_m2 - амплитудное значение сигнала S₂(t); τ₁ - постоянная времени первого управляемого интегратора 5; T₀=1/f - период входного сигнала S₁(t); x=ωt - текущее значение угла в радианах.

По аналогии вычислим максимальное значение L_m2 сигнала L₂(t)

где τ₂ - постоянная времени второго управляемого интегратора 6.

При равенстве постоянных времени τ₁=τ₂=τ максимальные значения сигналов L₁(t) и L₂{t) будут равны

В результате суммирования сигналов L₁(t) и L₂(t) на выходе схемы сравнения 7 формируется (фиг. 2) сигнал

где k₃ и k₄ - коэффициенты передачи схемы сравнения 7, соответственно, по первому и второму входам.

При условии равенства коэффициентов k₃=k₄=β на выходе схемы сравнения 7 формируются (фиг. 2) симметричные колебания треугольной формы N₁(t), амплитудные значения которых N_1m будут зависеть от коэффициента β, то есть

Симметричный сигнал треугольной формы N₁(t) поступает на первый вход выходного формирователя 8, который работает следующим образом.

При подаче постоянного напряжения Е₀₂ отрицательной полярности на первый вход третьего инвертирующего управляемого интегратора 13 на его выходе начинает формироваться (фиг. 2) линейно-нарастающее напряжение L₃(t) положительной полярности, которое поступает на первый вход устройства выборки-хранения 14.

Сброс до нуля сигнала L₃(t) происходит в момент подачи импульса D₂ на второй вход управляемого интегратора 13, затем процесс формирования сигнала L₃(t) повторяется.

Запоминание напряжения, то есть формирование сигнала Ν₂, происходит в момент подачи стробирующего импульса D₁ на второй вход устройства выборки-хранения 14. Величина постоянного напряжения N₂, формируемого на выходе устройства выборки-хранения 14, будет равна половине (фиг. 2) максимального напряжения L_3max сигнала L₃(t).

Найдем максимальное значение L_3max сигнала L₃(t)

где τ₃ - постоянная времени третьего управляемого интегратора 13.

Следовательно, величина постоянного напряжения Ν₂ на выходе устройства выборки-хранения 14 составит

Из анализа формул (2), (3) и (7) следует, что при изменении частоты f входного сигнала S₁(t) будут изменяться максимальные значения L_m1, L_m2 и L_3max соответствующих сигналов L₁(t), L₂(t) и L₃(t).

Делитель 15 осуществляет амплитудную стабилизацию сигнала S₃(t), который формируется на выходе выходного формирователя 8

где m - масштабный коэффициент делителя 15.

Амплитудные значения S_3m сигнала S₃(t)

Подставив в (10) значение N_1m из (6) и значение N₂ из (8), получим

При m=1, β=1, τ₃=τ и E₀₂=U_m2 амплитуда S_3m сигнала S₃(t) будет равна нормированному значению , то есть не будет зависеть от частоты f входного сигнала S₁(t).

Предлагаемое изобретение может быть использовано в измерительной технике и автоматике в качестве функционального генератора, вырабатывающего на своих выходах стабильные сигналы синусоидальной, треугольной формы, а также биполярные сигналы прямоугольной формы.

Источники информации

1. Шустов М. Функциональный генератор. - Радиомир, 2010, №7, с. 26-27.

2. Лозицкий С. Схемотехнические САПР: возможности и проблемы эффективного использования. - Схемотехника, 2007, №3, с. 38-40.

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. - М.: Мир, 1982, с. 307, рис. 18.25.

4. Дубровин В.С, Никулин В.В. Способ построения управляемых функциональных генераторов. T-comm, 2013, с. 22.

5. А.с. СССР №828366, Η03В 19/06. Заклецкая Ж.Я. Удвоитель частоты сигнала. - Заявл. 18.07.1979, опубл. 07.05.1981. Бюл. №17 (прототип).