Функциональный генератор

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

Известно устройство [Шустов М. Функциональный генератор. - Радиомир. 2010, №7, с. 26-27], 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 [Лозицкий С. Схемотехнические САПР: возможности и проблемы эффективного использования. Схемотехника, 2007, №3, с. 38-40], 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 [Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. - М.: Мир, 1982, с. 307, рис. 18.25], 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 ВАХ 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, низкая точность воспроизведения функции синуса при изменении температуры и питающих напряжений и т.д.) достаточно сложно обеспечить при использовании подобных функциональных преобразователей [Дубровин В.С., Никулин В.В. Способ построения управляемых функциональных генераторов. T-comm, 2013, с. 22].

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является,принятый за прототип функциональный генератор [Пат. №2582557 Российская Федерация, МПК Н03В 27/00. Функциональный генератор / Дубровин B.C., Зюзин A.M. - №2015102007/08; заявл. 22.01.15; опубл. 27.04.16, Бюл. №12], который содержит задающий генератор, формирователь гармонического сигнала и управляемый фазовращатель, выход которого соединен с четвертым выходом функционального генератора, управляющая шина которого соединена с управляющим входом задающего генератора, первый выход которого соединен с первым выходом функционального генератора и первым входом формирователя гармонического сигнала, выход которого соединен с третьим выходом функционального генератора и первым входом управляемого фазовращателя, второй вход которого соединен со вторым входом формирователя гармонического сигнала, вторым выходом задающего генератора и вторым выходом функционального генератора, при этом задающий генератор выполнен из первого сумматора, релейного элемента, первого перемножителя и первого интегратора, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, между выходом которого и первым входом первого перемножителя включен релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, при этом второй вход первого перемножителя соединен с управляющим входом формирователя гармонического сигнала, первый и второй выходы которого соединены соответственно с выходом первого интегратора и выходом релейного элемента, а вход первого интегратора подключен к выходу первого перемножителя, причем формирователь гармонического сигнала выполнен из двух квадраторов, второго сумматора и второго перемножителя, выход которого соединен с выходом формирователя гармонического сигнала, первый вход которого соединен с входом первого квадратора, к выходу которого подключены второй вход второго сумматора и вход второго квадратора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, к выходу которого подключен первый вход второго перемножителя, второй вход которого соединен со вторым входом формирователя гармонического сигнала, шина опорного напряжения которого соединена с третьим входом второго сумматора.

Управляемый фазовращатель выполнен из второго интегратора, третьего перемножителя и третьего сумматора, выход которого соединен с выходом управляемого фазовращателя, вход которого соединен с первым входом третьего сумматора и первым входом второго интегратора, к выходу которого подключен первый вход третьего перемножителя, выход которого соединен со вторым входом второго интегратора и вторым входом третьего сумматора, а второй вход третьего перемножителя соединен с управляющей шиной управляемого фазовращателя.

Устройство предназначено для формирования квадратурных гармонических сигналов, а также сигналов треугольной и прямоугольной формы.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение нелинейных искажений гармонического сигнала.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в уменьшении нелинейных искажений гармонического сигнала.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в функциональный генератор, содержащий задающий генератор, первый и второй квадраторы, первый и второй перемножители и сумматор, выход которого соединен с первым входом второго перемножителя, второй вход которого подключен ко второму выходу задающего генератора, первый выход которого соединен с входом первого квадратора, между выходом которого и вторым входом сумматора включен второй квадратор, при этом первый, второй и третий выходы функционального генератора соединены соответственно с первым выходом задающего генератора, с выходом второго перемножителя и вторым выходом задающего генератора, управляющий вход которого соединен с управляющей шиной функционального генератора, причем четвертый вход сумматора соединен с шиной опорного напряжения, дополнительно введены вычислитель модуля и инвертор, включенный между выходом первого квадратора и третьим входом сумматора, а вычислитель модуля включен между выходом первого перемножителя и первым входом сумматора.

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 вычислителя модуля и инвертора, а также организация новых связей между элементами и оптимизация коэффициентов передачи сумматора позволило уменьшить нелинейные искажения гармонического сигнала.

Изобретение поясняется структурной схемой функционального генератора (фиг. 1) и графиками (фиг. 2, фиг. 3), поясняющими принцип работы функционального генератора.

Функциональный генератор (фиг. 1) содержит задающий генератор 1, первый 2 и второй 3 квадраторы, первый 4 и второй 5 перемножители, сумматор 6, вычислитель модуля 7 и инвертор 8, включенный между выходом первого квадратора 2 и третьим входом сумматора 6, выход которого соединен с первым входом второго перемножителя 5, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора 1, первый выход которого соединен с входом первого квадратора 2, с первым входом первого перемножителя 4 и первым выходом функционального генератора, второй выход которого соединен с выходом второго перемножителя 5, а третий выход функционального генератора подключен ко второму выходу задающего генератора 1, управляющий вход которого соединен с управляющей шиной функционального генератора, при этом вычислитель модуля 7 включен между выходом первого перемножителя 4 и первым входом сумматора 6, второй квадратор 3 включен между выходом первого квадратора 2 и вторым входом сумматора 6, четвертый вход которого соединен с шиной опорного напряжения.

Функциональный генератор работает следующим образом.

При подаче управляющего напряжения Е_У на вход задающего генератора 1 на его первом и втором выходах формируются (фиг. 2, а) сигналы соответственно треугольной формы L(t) и прямоугольной формы D(t).

Сигналы L(t) и D(t) поступают соответственно на первый и третий выходы функционального генератора (фиг. 1).

Частота ƒ формируемых сигналов L(t) и D(t) будет линейно зависеть от изменения управляющего напряжения Е_У, то есть ƒ=K⋅Е_У, где K - коэффициент пропорциональности.

Перенесем систему координат из точки О в точку x₁ (фиг. 2, а), тогда х₁=0; х₂=π, и х₃=2π, при этом период Т колебаний сигналов задающего генератора 1 можно определить как: Т=х₃-х₁=2π.

Рассмотрим процесс формирования гармонического сигнала N₂(t) на интервале x∈[0; π] (фиг. 2, а).

Для нахождения аналитических выражений сигнала L(t) используем общее выражение для прямой y=kx+b, проходящей через две точки с координатами (x₁, y₁) и (x₂, y₂)

где x - текущее значение угла в радианах.

Подставив в (1) координаты двух граничных точек [х₁=0, y₁=А; х₂=π, y₂=-А], получим

Для упрощения рассуждений примем, что амплитудные значения сигнала L(t) равны нормированному значению А=А^*=1. В этом случае

На выходе первого квадратора 2 формируется сигнал

а на выходе первого перемножителя 4 - сигнал

На выходе вычислителя модуля 7 формируется сигнал

а на выходе второго квадратора 3 - сигнал

На третий вход сумматора 6 поступает инвертированный сигнал М₁(x), то есть

а на четвертый вход - опорное напряжение Е₀.

На выходе инвертирующего сумматора 6 формируется (фиг. 1) сигнал

где k₁-k₄ - коэффициенты передачи сумматора 6 по соответствующим входам, Е₀ - величина опорного напряжения.

Полярность сигнала N₂(x) будет зависеть от знака переключающего напряжения D(x), поступающего на второй вход второго перемножителя 5 N₂(x)=sign[D(x)]⋅U(x). Поскольку сигнал D(x) на рассматриваемом интервале x∈[0; π] принимает значение, равное D(x)=1 (фиг. 2, а), то

Для решения уравнения (9) необходимо найти значения коэффициентов k₁-k₄ и величину опорного напряжения Е₀, причем эти величины должны быть оптимизированы для получения минимальных искажений формируемого гармонического сигнала N₂(x).

В уравнение (9) входит 5 неизвестных (четыре коэффициента k₁-k₄ и опорное напряжение Е₀), следовательно, должна быть составлена система из пяти линейных уравнений.

Задачу можно упростить, если систему уравнений составить таким образом, чтобы на рассматриваемом интервале в определенных (заданных) точках x_i было идеальное совпадение с эталонным сигналом S₀(x)=-А^*⋅sin(x)=-sin(x), то есть N₂(x_i)=S₀(x_i).

С учетом этого составим следующее уравнение

Для точки х=90° значения L(π/2)]=0; S₀(π/2)]=1, тогда получим уравнение

Исходное уравнение (10) при этом можно значительно упростить

для решения которого требуется уже система из трех линейных уравнений с тремя неизвестными k₁-k₃.

Для точки x₁=0 уравнение (12) примет следующий вид

откуда следует, что при варьировании всего двух коэффициентов (k₁ и k₂) можно провести оптимизацию формирователя гармонического сигнала N₂(x) на минимум нелинейных искажений, поскольку коэффициент к₃ жестко связан с изменяемыми коэффициентами k₁ и k₂, то есть k₃=1+k₁+k₂.

Временные диаграммы, поясняющие принцип формирования гармонического сигнала представлены на фиг. 2.

На фиг. 2, б показан виртуальный сигнал (с учетом коэффициентов и инверсии сумматора 6)

а на фиг. 2, в - виртуальный сигнал

Для получения сигнала U(x), изображенного на фиг. 2, г, необходимо к сигналу Z₂(x) добавить напряжение смещения (фиг. 2, в), величина которого Е_СМ=-Е₀. Затем с помощью второго перемножителя, выполняющего роль коммутатора, на выходе функционального генератора формируется (фиг. 2, д) гармонический сигнал N₂(t).

Дальнейшая оптимизация проводилась на математической модели с помощь программы PSIM 9. Оптимизация коэффициентов и измерение нелинейных искажений производились с помощью блока (THD - Total harmonic distortion) программы PSIM 9. При оптимальных значениях коэффициентов k_1opt=0,0663 и k_2opt=0,1853 коэффициент нелинейных искажений k_ƒ формируемого сигнала N₂(t) составил 0,016%, при этом значение коэффициента k_3opt=1,2516.

Эффективность предлагаемого решения можно определить с помощью коэффициента γ=k_ƒ0/k_ƒ, где k_ƒ0=0,072% - коэффициент нелинейных искажений в устройстве, взятом за прототип. Следовательно, эффективность γ=0,072/0,0166=4,5. Таким образом, в результате введения двух новых простых элементов (вычислитель модуля 7 и инвертор 8), а также в результате проведенной оптимизации коэффициентов передачи сумматора 6 нелинейные искажения уменьшились почти в пять раз.

Формирователь гармонического сигнала обладает высоким быстродействием, поскольку в его составе нет реактивных элементов, определяющих динамические характеристики.

На фиг. 3 представлены графики изменения выходных сигналов N₁(t), N₂(t) и N₃(t) при переключении управляющего напряжения Е_У (фиг. 3, а) в десять раз (на одну декаду), откуда следует, что переход с одной частоты на другую происходит без переходных процессов, что является существенным достоинством предлагаемого формирователя.