Результат интеллектуальной деятельности: УПРАВЛЯЕМЫЙ ГЕНЕРАТОР КВАДРАТУРНЫХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано при построении управляемых генераторов.

Известен генератор [1 (с. 202 - рис. 4-16. «Электронный генератор с ограничением амплитуды колебаний»)], содержащий два интегратора, сумматор, нелинейный элемент (с релейной характеристикой) и два пассивных управляемых делителя, осуществляющих перестройку выходных колебаний по частоте. На выходе нелинейного элемента формируются биполярные импульсы прямоугольной формы с высоким содержанием высших нечетных гармоник. Биполярный прямоугольный сигнал подается по цепи обратной связи непосредственно на вход сумматора, поэтому на выходе первого интегратора будет сформирован сигнал, имеющий значительные нелинейные искажения.

Известен управляемый генератор [2 (с. 17 - рис. 1-9.)], который содержит два интегратора, два умножителя, нелинейный элемент и сумматор, к выходу которого подключен первый умножитель, управляющий вход которого соединен с управляющей шиной и управляющим входом второго умножителя, между выходом которого и первым входом сумматора включен второй интегратор, выход которого соединен со вторым выходом управляемого генератора, первый выход которого подключен к выходу первого интегратора, при этом нелинейный элемент включен между первым выходом управляемого генератора и вторым входом сумматора, а вход второго умножителя подключен к выходу первого интегратора.

Для стабилизации амплитуды используется нелинейный элемент, при этом коэффициент гармоник и стабильность амплитуды связаны обратной зависимостью, то есть уменьшение коэффициента гармоник за счет уменьшения степени нелинейности приводит к снижению стабильности амплитуды и, напротив, увеличение стабильности амплитуды ведет к увеличению гармоник в выходном сигнале. Сравнительно невысокие метрологические характеристики (стабильность амплитуды 1-2% при коэффициенте гармоник 0,5-1%) ограничивают применение таких генераторов [2 (с. 19)].

Известен управляемый генератор [3], содержащий два интегратора, 3 умножителя, 3 квадратора, релейный элемент, ограничитель, два сумматора и инвертор, включенный между выходом третьего квадратора и третьим входом второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом третьего умножителя, между выходом которого и первым входом первого сумматора включен ограничитель, при этом первый интегратор включен между выходом первого умножителя и первым входом второго умножителя, к выходу которого подключен вход второго интегратора, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, к выходу которого подключен первый вход первого умножителя, второй вход которого соединен со вторым входом второго умножителя и первой шиной управляемого генератора, вторая шина которого соединена с входом третьего квадратора, причем выходы первого и второго интеграторов соединены с соответствующими выходами управляемого генератора, первый квадратор включен между первым выходом управляемого генератора и первым входом второго сумматора, второй квадратор включен между вторым выходом управляемого генератора и вторым входом второго сумматора, а релейный элемент включен между первым выходом управляемого генератора и первым входом третьего умножителя.

Генератор имеет хорошие динамические характеристики, как при пуске, так и при переходе с одной частоты на другую, имеет сравнительно небольшой коэффициент нелинейных искажений квадратурных сигналов, но для своей реализации требует большое количество прецизионных умножителей и квадраторов, определяющих основную стоимость всего устройства. Кроме того, реальный коэффициент гармоник для формируемых сигналов не позволяет отнести данное устройство к прецизионным генераторам по данному показателю.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является, принятый за прототип, формирователь квадратурных сигналов [3], содержащий источник гармонического сигнала, два фазовращателя, каждый из которых выполнен из резистора, конденсатора и операционного усилителя, два формирователя стробирующих импульсов, каждый из которых выполнен из компаратора и одновибратора, два устройства выборки-хранения, два делителя, два ограничителя, два умножителя, два сумматора, два инвертора и компаратор, к выходу которого подключены вторые входы сумматоров и вход второго инвертора, выход которого соединен со вторыми входами умножителей, выходы которых соединены с соответствующими выходами формирователя квадратурных сигналов, при этом между выходом первого фазовращателя и вторым входом второго устройства выборки-хранения включены последовательно соединенные первый инвертор и второй формирователь стробирующих импульсов, между выходом второго фазовращателя и вторым входом первого устройства выборки-хранения включен первый формирователь стробирующих импульсов, первый ограничитель включен между выходом первого делителя и первых входом первого умножителя, между выходом второго делителя и первым входом второго умножителя включен второй ограничитель, компаратор подключен к выходу первого устройства выборки-хранения, а к источнику гармонического сигнала подключены входы фазовращателей, причем выход первого фазовращателя соединен с первым входом первого делителя и первым входом первого устройства выборки-хранения, к выходу которого подключен первый вход первого сумматора, к выходу которого подключен второй вход первого делителя, выход второго фазовращателя соединен с первым входом второго делителя и первым входом второго устройства выборки-хранения, к выходу которого подключен первый вход второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом второго делителя.

На первом и втором выходе устройства формируются квадратурные гармонические сигналы стабильные по амплитуде, для формирования которых необходим однофазный источник гармонических колебаний.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства и повышение спектральной чистоты формируемых квадратурных гармонических сигналов.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей и повышении спектральной чистоты формируемых квадратурных гармонических сигналов путем введения дополнительных элементов и организации новых функциональных связей между элементами.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в управляемый генератор квадратурных сигналов, содержащий первый, второй и третий компараторы, первый и второй одновибраторы, первое и второе устройства выборки-хранения, первый и второй делители, первый и второй ограничители, первый и второй умножители, первый и второй операционные усилители, инвертор, первый и второй сумматоры, первый и второй резисторы, первый и второй конденсаторы, при этом первый одновибратор включен между выходом первого компаратора и вторым входом первого устройства выборки-хранения, второй одновибратор включен между выходом второго компаратора и вторым входом второго устройства выборки-хранения, первый вход которого соединен с неинвертирующим входом первого компаратора, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной, к которой подключены также инвертирующие входы второго и третьего компараторов, причем вторые входы первого и второго умножителей подключены к управляющей шине, а неинвертирующий вход третьего компаратора соединен с плюсовой шиной, дополнительно введены третий сумматор, четвертый компаратор, RS-триггер и источник опорного напряжения, минусовой зажим которого соединен с общей шиной, а плюсовой - со вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с инвертирующим входом четвертого компаратора, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход подключен ко второму входу RS-триггера, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, к выходу которого подключен первый вход третьего сумматора, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, между выходом которого и инвертирующим входом первого операционного усилителя включен первый резистор, второй резистор включен между выходом второго умножителя и инвертирующим входом второго операционного усилителя, к выходу которого подключены первый вход второго сумматора, второй вход третьего сумматора, а также первый вход второго делителя, к выходу которого подключен второй ограничитель, выход которого соединен со вторым выходом управляемого генератора квадратурных сигналов, первый выход которого соединен с первым входом первого сумматора и с выходом первого ограничителя, вход которого подключен к выходу первого делителя, второй вход которого соединен с выходом первого устройства выборки-хранения 6, выход второго устройства выборки-хранения соединен со вторым входом второго делителя, при этом первый конденсатор включен между выходом и инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, второй конденсатор включен между выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а инвертор включен между выходом первого операционного усилителя и третьим входом третьего сумматора, к выходу первого операционного усилителя подключены первый вход второго умножителя, неинвертирующий вход второго компаратора и первые входы первого делителя и первого устройства выборки-хранения, причем к выходу третьего компаратора подключен первый вход RS-триггера.

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 управляемый генератор квадратурных сигналов дополнительного компаратора, RS-триггера, сумматора и источника опорного напряжения, а также организация новых функциональных связей между элементами позволило расширить функциональные возможности устройства и повысить спектральную чистоту формируемых квадратурных гармонических сигналов.

Изобретение поясняется структурной схемой управляемого генератора квадратурных сигналов, изображенной на фиг. 1, и графиками, поясняющими принцип работы управляемого генератора квадратурных сигналов - на фиг. 2 - фиг. 5.

Управляемый генератор квадратурных сигналов содержит (фиг. 1) первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 26 компараторы, первый 4 и второй 5 одновибраторы, первое 6 и второе 7 устройства выборки-хранения, первый 8 и второй 9 делители, первый 10 и второй 11 ограничители, первый 12 и второй 13 умножители, первый 14 и второй 15 операционные усилители, инвертор 16, первый 17, второй 18 и третий 25 сумматоры, первый 19 и второй 20 резисторы, первый 21 и второй 22 конденсаторы, шину управления 23, плюсовую шину 24, RS-триггер 27 и источник опорного напряжения 28, минусовой зажим которого соединен с общей шиной, а плюсовой - со вторым входом второго сумматора 18, выход которого соединен с инвертирующим входом четвертого компаратора 26, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход подключен ко второму входу RS-триггера 27, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора 17, к выходу которого подключен первый вход третьего сумматора 25, выход которого соединен с первым входом первого умножителя 12, между выходом которого и инвертирующим входом первого операционного усилителя 14 включен первый резистор 19, второй резистор 20 включен между выходом второго умножителя 13 и инвертирующим входом второго операционного усилителя 15, к выходу которого подключены первый вход второго сумматора 18, второй вход третьего сумматора 25, первые входы второго устройства выборки-хранения 7 и второго делителя 9, а также неинвертирующий вход первого компаратора 1, между выходом которого и вторым входом первого устройства выборки-хранения 6 включен первый одновибратор 4, второй одновибратор 5 включен между выходом второго компаратора 2 и вторым входом второго устройства выборки-хранения 7, к выходу которого подключен второй вход второго делителя 9, выход которого соединен с входом второго ограничителя 11, выход которого соединен со вторым выходом управляемого генератора, первый выход которого соединен с первым входом первого сумматора 17 и выходом первого ограничителя 10, вход которого подключен к выходу первого делителя 8, второй вход которого соединен с выходом первого устройства выборки-хранения 6, первый вход которого соединен с неинвертирующим входом второго компаратора 2, первым входом первого делителя 8, первым входом второго умножителя 13 и выходом первого операционного усилителя 14, между выходом которого и третьим входом третьего сумматора 25 включен инвертор 16, при этом первый конденсатор 21 включен между выходом и инвертирующим входом первого операционного усилителя 14, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной, второй конденсатор 22 включен между выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя 15, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, к которой также подключены инвертирующие входы первого 1, второго 2 и третьего 3 компараторов, причем шина управления 23 соединена со вторыми входами первого 12 и второго 13 умножителей, плюсовая шина 24 соединена с неинвертирующим входом третьего компаратора 3, выход которого соединен с первым входом RS-триггера 27.

Управляемый генератор квадратурных сигналов работает следующим образом.

Умножитель 12, операционный усилитель 14, резистор 19 и конденсатор 21 образуют (фиг. 1) первый управляемый интегратор с передаточной функцией

где τ_У1=τ₁/(m₁·Е_У) - постоянная времени первого управляемого интегратора; τ₁=R₁C₁ - постоянная времени; R₁ - сопротивление первого резистора 19; С₁ - емкость первого конденсатора 21; m₁ - масштабный коэффициент умножителя 12; Е_У - управляющее напряжение; s - комплексная переменная.

Умножитель 13, операционный усилитель 15, резистор 20 и конденсатор 22 образуют второй управляемый интегратор с передаточной функцией

где τ_У2=τ₂/(m₂·Е_У) - постоянная времени второго управляемого интегратора; τ₂=R₂C₂ - постоянная времени; R₂ - сопротивление второго резистора 20; С₂ - емкость второго конденсатора 22; m₂ - масштабный коэффициент умножителя 13.

При равенстве резисторов R₁=R₂=R, конденсаторов С₁=С₂=С и при одинаковых значениях масштабных коээффициентов m₁=m₂=m постоянные времени также будут иметь одинаковые значения τ₁=τ₂=τ₀.

В этом случае

Последовательно соединенные и замкнутые в кольцо умножители 12 и 13, управляемые интеграторы и сумматор 25, который является инвертирующим, образуют управляемый фильтр (фиг. 1), имеющий два выхода S₁ и S₂.

Найдем передаточную функцию управляемого фильтра по первому W₁(s) и второму W₂(s) выходу при воздействии входного сигнала М₁, для чего составим следующую систему уравнений в операторной форме:

где k₁, k₂ и k₃ - коэффициенты третьего сумматора 25 по соответствующим входам.

Используя метод исключения переменных в (5), запишем выражения для передаточной функции

и для передаточной функции

При k₂=1 выражение (6) можно привести к классическому виду для колебательного звена с передаточной функцией

где ξ=k₃/2 - коэффициент затухания, определяющий избирательные свойства звена.

Передаточную функцию W₂(s) можно представить в виде последовательного соединения колебательного и дифференцирующего звеньев

Резонансную частоту ω₀ управляемого фильтра можно найти из характеристического уравнения, для чего знаменатель в уравнениях (8) и (9) следует приравнять к нулю и найти корни этого уравнения

Для нахождения комплексно-частотных функций в выражениях (9) и (10) необходимо заменить комплексную переменную s→jω

Из (11) и (12) следует, что фазовый сдвиг между выходными сигналами S₁(t) и S₂(t) будет определяться только параметрами дифференцирующего звена с передаточной функцией W_D(s)=τs, поскольку W_D(jω)=j·ωτ.

Фазовый сдвиг

Из (13) следует, что фазовый сдвиг между выходными сигналами S₁(t) и S₂(t) не зависит от частоты и во всем диапазоне рабочих частот составляет 90 электрических градусов.

Амплитудно-частотные характеристики

удобно представить в нормированном виде (фиг. 2), для чего введем в рассмотрение относительную расстройку по частоте

где ω₀=1/τ_У - резонансная частота.

После подстановки (16) в (14) и (15) получим

Графические зависимости коэффициентов передачи W₁(ω) и W₂(ω) от величины относительной расстройки δ приведены на фиг. 2. На резонансной частоте (при δ=1)

При равенстве коэффициентов k₁=k₃ коэффициенты передачи также будут равны W₁(1)=W₂(1)=1.

Спектральная чистота формируемых сигналов S₁(t) и S₂(t) будет зависеть, как от формы сигнала М₁(t), поступающего по цепи обратной связи, так и от добротности Q резонансной системы (управляемого фильтра), которая, в свою очередь, определяет (фиг. 2) полосу пропускания П_ПР фильтра.

Полосу пропускания П_ПР условно определяют по резонансной кривой (фиг. 2) на уровне 0,707 (-3 дБ) от ее максимального значения, соответствующего резонансной частоте.

Полоса пропускания управляемого фильтра

Добротность управляемого фильтра связана с коэффициентом затухания ξ следующим образом Q=1/ξ=2/k₃, следовательно, величину добротности Q, коэффициент затухания ξ и полосу пропускания П_ПР можно регулировать с помощью коэффициента k₃, но при этом необходимо соблюдать равенство коэффициентов k₁=k₃.

В этом случае при любых значениях добротности на частоте резонанса амплитудные значения А₁ и А₂ сигналов S₁(t) и S₂(t) будут иметь одинаковые значения, равные единице, а фазовый сдвиг между ними составит 90 электрических градусов. Таким образом, на выходах управляемого фильтра формируются квадратурные сигналы стабильной амплитуды.

В предлагаемом решении на вход второго сумматора подается квазигармонический сигнал Ν₁(t) стабильной амплитуды А^* и имеющий незначительное количество высших гармонических в своем составе. Следовательно, на входе управляемого фильтра, то есть на первом входе третьего сумматора, также будет присутствовать сигнал М₁(t), практически не имеющий в своем составе высших гармонических составляющих. В этом заключается одно из основных (в отличие от аналогов) преимуществ предлагаемого изобретения.

Формирование сигнала обратной связи М₁(t) происходит следующим образом.

Компаратор 1, одновибратор 4, устройство выборки-хранения 6, делитель 8 и ограничитель 10 образуют первый стабилизатор амплитуды, который работает следующим образом.

Компаратор 1 формирует (фиг. 3) из сигнала S₂(t) сигнал прямоугольной формы К₁(t), который поступает на вход одновибратора 4. Одновибратор 4, срабатывающий по заднему фронту поступающих на его вход импульсов К₁(t) формирует узкие импульсы T₁, которые поступают на второй вход устройства выборки-хранения 6.

На первый вход устройства выборки-хранения 6 с выхода первого управляемого интегратора поступает (фиг. 3) гармонический сигнал S₁(t)=A₁[sin(ωt+φ₁)] с амплитудным значением А₁ и начальной фазой φ₁.

Поскольку время прихода импульсов T₁ на вход устройств выборки-хранения 6 всегда совпадает с максимальными (экстремальными) значениями сигнала S₁(t), а длительность управляющих импульсов T₁ чрезвычайно мала, то постоянное напряжение Е₁, формируемое на выходе устройства выборки-хранения 6, будет в точности равно пиковым (амплитудным) значениям А₁ сигнала S₁(t), то есть Е₁=А₁.

На выходе делителя 8 формируется сигнал

где А^*=1 - нормированное значение амплитуды сигнала L₁(t), при этом фазовые углы сигналов S₁(t) и L₁(t) будут равны.

Ограничитель 10 необходим только в том случае, если недопустимы значительные кратковременные выбросы сигнала L₁(t) во время переходных процессов. Если можно ограничивать выбросы на уровне насыщения активных элементов (операционных усилителей, умножителей и делителей), то ограничитель 10 может отсутствовать.

Стабилизированный по амплитуде сигнал после ограничителя 10 поступает на первый вход сумматора 17, замыкая цепь обратной связи и создавая условия для возбуждения гармонических колебаний.

Частота колебаний Ω₀ в управляемом генераторе совпадает с резонансной частотой ω₀=1/τ_У и изменяется прямо пропорционально изменению управляющего напряжения Е_У

На второй вход сумматора 17 поступает корректирующий сигнал S_k(t) с формирователя одиночного импульса, который выполнен из RS-триггера 27, компараторов 3 и 26, сумматора 18 и источника опорного напряжения 28.

Формирователь одиночного импульса работает следующим образом.

При включении питающего напряжения на шину 24 подается напряжение Е_П положительной полярности и на выходе компаратора 3 появляется положительный перепад напряжения K₃(t), который устанавливает RS-триггер 27 в исходное состояние и на его выходе начинает формироваться (фиг. 2) сигнал S_k(t).

В это время на выходе второго управляемого интегратора начинает формироваться (фиг. 4) сигнал S₂(t), который поступает на первый вход сумматора 18, на второй вход которого подается напряжение Е₀ от источника опорного напряжения 28, на выходе которого формируется сигнал M₂(t), поступающий на инвертирующий вход компаратора 26.

На выходе компаратора 26 формируется последовательность импульсов К₄(t), которые поступают на второй вход RS-триггера 27.

Срабатывание RS-триггера 27 позволяет сформировать одиночный импульс S_k(t), который поступает на второй вход сумматора 17, на выходе которого формируется сигнал M₁(t), поступающий на первый вход сумматора 25, то есть на вход управляемого фильтра.

Сигнал S_k(t) формируется только один раз, поскольку последующие (после первого) импульсы, поступающие на второй вход RS-триггера 27, не могут изменить его состояние.

Длительность переходного процесса при запуске управляемого генератора квадратурных сигналов определяется (фиг. 2) длительностью Т₂ корректирующего сигнала S_k(t) и значением коэффициента передачи по второму входу сумматора 17. Длительность Т₂ сигнала S_k(t) можно изменять с помощью напряжения смещения Е₀, поступающего на вход сумматора 18 от источника опорного напряжения 28.

Выбор оптимальных значений Т₂ и коэффициента передачи по второму входу сумматора 17 позволяет минимизировать длительность переходного процесса при запуске управляемого генератора.

Компаратор 2, одновибратор 5, устройство выборки-хранения 7, делитель 9 и ограничитель 11 образуют второй стабилизатор амплитуды, который работает аналогично первому стабилизатору, с той разницей, что узкие импульсы Т₂, которые поступают на второй вход устройства выборки-хранения 7, формируются (фиг. 3) с помощью одновибратора 5 по переднему фронту прямоугольных импульсов K₂(t), вырабатываемых с помощью компаратора 2, на неинвертирующий вход которого поступает сигнал S₁(t) с выхода первого управляемого интегратора.

На первый вход устройства выборки-хранения 7 с выхода второго управляемого интегратора поступает (фиг. 3) гармонический сигнал S₂(t)=A₂[sin(ωt+φ₂)] с амплитудным значением А₂ и начальной фазой φ₂.

На выходе делителя 9 формируется сигнал

где А^*=1 - нормированное значение амплитуды сигнала L₂(t);

Е₂ - постоянное напряжение, формируемое на выходе устройства выборки-хранения 7, которое будет в точности равно пиковым (амплитудным) значениям А₂ сигнала S₂(t), то есть Е₂=А₂;

φ₂ - фаза сигнала L₂(t), совпадающая с начальной фазой сигнала S₂(t).

При этом фазовые углы сигналов S₂(t) и L₂(t) будут иметь одинаковые значения.

Поскольку сдвиг фаз между сигналами S₁(t) и S₂(t) составляет 90 электрических градусов, то сдвиг фаз между сигналами N₁(t) и N₂(t) также будет равен 90 электрическим градусам.

На фиг. 5 показаны переходные процессы, происходящие в генераторе при скачкообразном изменении (в момент времени t₁) управляющего напряжения Е_У с максимального значения E_Ymax до минимального E_Ymin, что соответствует мгновенному изменению частоты от максимального значения f_max до минимального f_min.

Изменения управляющего напряжения Е_У на одну или две декады (10 или 100 раз) приводят к изменению частоты без переходных процессов, при этом сохраняются стабильные значения формируемых квадратурных сигналов S₁(t) и S₂(t), как по амплитуде, так и по частоте.

К основному достоинству предлагаемого решения следует отнести незначительные нелинейные искажения формируемых квадратурных сигналов, поскольку на вход управляемого фильтра по цепи обратной связи подается сигнал, практически не имеющий в своем составе (в отличие от аналогов) высших гармонических составляющих.

Использование предлагаемого изобретения позволяет расширить функциональные возможности устройства и повысить спектральную чистоту формируемых квадратурных гармонических сигналов.

Источники информации

1. Вавилов А.А., Солодовников А.И. Экспериментальное определение частотных характеристик автоматических систем. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963 г. - 252 с.

2. Вавилов А.А., Солодовников А.И., Шнайдер В.В. Низкочастотные измерительные генераторы. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1985 г. - 104 с.

3. Патент РФ №2506692, Н03В 27/00. Дубровин В.С. Управляемый генератор, заявл. 31.08.2012, опубл. 10.02.2014. Бюл. №4.

4. Патент РФ №127554, Н03В 27/00. Дубровин В.С., Зюзин А.М. Формирователь квадратурных сигналов, заявл. 07.09.2012, опубл. 27.04.2013. Бюл. №12.