|
ТОП 10: |
⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 5Следующая ⇒ Генераторы на основе сдвига фаз производят меньше искажений, чем генераторы на основе моста Вина, имея ещё и хорошую стабильность частоты. Такой генератор может быть построен с одним ОУ, как показано на рисунке 14. Три RC звена соединены последовательно, чтобы получить крутой наклон dφ/dω, необходимый для стабильной частоты колебаний, как это описано в разделе 3. Применение меньшего количества RC звеньев приводит к высокой частоте колебаний, ограниченной полосой пропускания ОУ. Рис. 14. Генератор на основе сдвига фаз с одним ОУ. Скачать LTspice модель.
Рис. 15. Выходной сигнал схемы с рисунка 14. Как правило, считается, что фазосдвигающие цепи являются независимыми друг от друга, что позволяет вывести уравнение (14). Полный сдвиг фазы петли ОС составляет –180°, при этом фазовый сдвиг, вносимый каждым звеном составляет –60°. Это происходит при ω = 2πf = 1.732/RC (tan 60° = 1.732…). Величина β в этой точке будет равна (1/2) (14) Частота колебаний с номиналами компонентов, показанных на рисунке 14, составляет 3,767 кГц, а расчётная частота составляет 2,76 кГц. Кроме того, коэффициент усиления, требуемый для возникновения генерации, равен 27, а расчётный равен 8. Это расхождение частично возникает из-за разброса параметров компонентов, однако главным фактором является неверное предположение, что RC звенья не нагружают друг друга. Эта схема была очень популярна, когда активные компоненты были большими и дорогими. Но теперь ОУ недороги, малы, и в одном корпусе содержится 4 ОУ, поэтому генератор на основе фазосдвигающей цепи на одном операционном усилители теряет популярность. Искажения выходного сигнала составляют 0,46%, что значительно меньше, чем в схеме генератора на основе моста Вина без стабилизации амплитуды. Буферированный генератор на основе сдвига фаз Буферизованный генератор на основе сдвига фаз намного лучше небуферизованной версии, но платой за это является большее число применённых компонентов. На рисунках 16 и 17 изображён буферизированный генератор на основе сдвига фаз, и соответственно выходной сигнал. Буферы предотвращают RC цепи от нагружения друг друга, поэтому параметры буферизированного генератора на основе сдвига фаз лежат гораздо ближе к расчётным значениям частоты и коэффициенту усиления. Резистор RG, устанавливающий коэффициент усиления, нагружает третье RC звено. Если буферизировать это звено с помощью четвёртого ОУ, то параметры генератора станут идеальными. Синусоидальный сигнал с низкими искажениями может быть получен любым генератором на основе сдвига фаз, но наиболее чистый синус получается на выходе последнего RC звена генератора. Это высокоомный выход, поэтому высокое входное сопротивление нагрузки обязательно для предотвращения перегрузки и как следствия, изменения частоты генерации из-за вариаций параметров нагрузки. Частота генерации схемы составляет 2,9 кГц по сравнению с идеальной расчётной частотой 2,76 кГц, коэффициент усиления был равен 8,33, что близко к расчётному, равному 8. Искажения составляли 1,2%, что значительно больше, чем у небуферизованого фазового генератора. Эти расхождения параметров и сильные искажения возникают из-за большого номинала резистора обратной связи RF, который совместно с входной ёмкостью ОУ CIN создаёт полюс, лежащий поблизости от частоты 5 кГц. Резистор RG всё ещё нагружает последнее RC звено. Добавление буфера между последним RC звеном и выходом V OUT снизит усиление и частоту генерации до расчётных значений. Рис. 16. Буферированный генератор на основе сдвига фаз. Скачать LTspice модель.
Рис. 17. Выходной сигнал схемы с рисунка 17. Генератор Буббы Генератор Буббы, схема которого приведена на рисунке 18, является ещё одним генератором на основе сдвига фаз, но здесь используется выгода от применения счетверённого операционного усилителя, что приносит уникальные преимущества. Четыре RC звена требуют фазовый сдвиг по 45° в каждом звене, так что этот генератор имеет отличную d&phi/dt, что приводит к минимальному дрейфу частоты. Каждая из RC секций вносит фазовый сдвиг в 45°, поэтому снимая сигнал с разных звеньев можно получить низкоомный квадратурный выход. При снятии сигналов с выходов каждого из ОУ можно получить четыре синусоиды со сдвигом фаз по 45°. Уравнение (15) описывает петлю обратной связи. При ω = 1/RCs, уравнение 15 упрощается до уравнений (16) and (17). (15) (16) (17)
Рис. 18. Генератор Буббы. Скачать LTspice модель.
Рис. 19. Выходной сигнал схемы с рисунка 18. Что бы генерация возникла усиление A должно быть равно 4. Частота колебаний испытательной схемы составляла 1.76 кГц, при этом расчётное значение составляет 1.72 кГц, и соответственно усиление было равно 4.17 при расчётном значении, равном 4. Форма выходного сигнала показана на рисунке 19. Искажение составляют 1.1% для VOUTSINE и 0.1% for VOUTCOSINE. Синусоидальный сигнал с очень низкими искажениями может быть получен из точки соединения резисторов R и R G. Когда сигнал с низким уровнем искажений необходимо снимать со всех выходов, то общее усиление должно быть распределено среди всех ОУ. На неинвертирующий вход усиливающего ОУ подано напряжение смещения 2.5 вольт, что бы установить напряжение покоя равным половине напряжения питания при использовании однополярного источника, если же используется двухполярный источник питания то неинвертирующий вход следует заземлить. Распределение усиления между всеми ОУ требует применение смещения для них, но это никак не воздействует на частоту генерации. Квадратурный генератор Квадратурный генератор, изображённый на рисунке 20 является другим типом генератора на основе сдвига фаз, но три RC звена настроены так, что каждое звено вносит фазовый сдвиг по 90°. Это обеспечивает на выходе как синусоидальный, так и косинусоидальный сигнал (выходы являются квадратурными, с разностью фаз по 90°), что является явным преимуществом перед другими генераторами на основе фазовых сдвигов. Идея квадратурного генератора лежит в использовании того факта, что двойное интегрирование синусоиды даёт инвертирование сигнала, то есть происходит сдвиг сигнала по фазе на 180°. Фаза второго интегратора тогда инвертируется и используется как положительная ОС, что приводит к возникновению генрации [6]. Усиление петли обратной связи рассчитывается по уравнению (18). При R1C1 = R2C2 =R3C3 уравнение (18) упрощается до (19). Когда ω = 1/RC, уравнение (18) упрощается до 1∠–180, так что генерация возникает на частоте ω = 2πf = 1/RC. У испытательной схемы колебания возникают на частоте 1.65 кГц, что немного отличается от расчётной частоты, равной 1.59 кГц, как показано на рисунке 21. Это расхождение объясняется разбросом параметров компонент. Оба выхода имеют относительно высокие искажения, которые могут быть уменьшены при использовании АРУ. Синусоидальный выход имел коэффициент искажений 0,846%, косинусоидальный – 0,46%. Регулировка усиления может увеличить амплитуду выходного сигнала. Недостатком такого генератора является уменьшенная полоса пропускания. (18) (19)
Рис. 20. Схема квадратурного генератора. Скачать LTspice модель.
Рис. 21. Выходной сигнал схемы с рисунка 20. Заключение Генераторы на ОУ имеют ограничение по рабочей частоте, так как у них нет необходимой ширины полосы пропускания для получения малого сдвига фаз на высоких частотах. Новые операционные усилители с обратной связью по току имеют гораздо более широкую полосу пропускания, но их очень сложно использовать в схемах генераторов, так как они очень чувствительны к ёмкостям в цепи обратной связи. Операционные усилители с обратной связью по напряжению ограничены рабочим диапазоном до сотен кГц из-за низкой полосы пропускания. Пропускная способность снижается при соединении ОУ каскадно из-за умножения фазовых сдвигов. Генератор на основе моста Вина содержит немного компонентов и имеет хорошую стабильность частоты, но базовая схема имеет высокий коэффициент выходных искажений. Применение АРУ значительно снижает искажения, особенно в нижнем диапазоне частот. Нелинейная обратная связь обеспечивает наилучшие характеристики в средней и верхней частях частотного диапазона. Генератор на основе сдвига фаз имеет высокий уровень искажений, и без буферирования звеньев требует большого коэффициента усиления, что ограничивает его частотный диапазон очень низкой частотой. Снижение цен на операционные усилители и другие компоненты уменьшило популярность таких генераторов. Квадратурный генератор требует для своей работы всего два операционных усилителя, имеет приемлемый уровень нелинейных искажений и с его выходов можно получить синусоидальный и косинусоидальный сигналы. Его недостаток – низкая амплитуда выходного сигнала, которая может быть увеличена путём применения дополнительного каскада усиления, но это приведёт к существенному уменьшению полосы пропускания. Ссылки
Рон Манчини, Ричард Палмер BACK MAIN PAGE
|
infopedia.su
Пример расчёта фильтра нижних частот — МегаЛекции
Фильтр нижних частот предназначен для выделения из входного напряжения ФЧВ среднего значения.
Частота минимальной гармоники в выходном сигнале ФЧВ будет равна , где – частота возбуждения датчика.
Например, , . Таким образом, ФНЧ должен ослабить напряжение с частотой в заданное число раз. Коэффициент подавления вычисляется исходя из точности схемы и условий быстродействия. Оставшиеся пульсации после фильтра должны быть меньше основной погрешности измерительного преобразователя. Например, если задана основная погрешность , то пульсации должны быть на уровне (5 10) раз меньше, т.е. . Таким образом, коэффициент подавления фильтром наименьшей частоты должен быть равен .
Для упрощения выбираем схему фильтра, состоящую из пассивных R-C звеньев. Выберем трехзвенный фильтр. Его схема дана на рисунке 5.7.
Рис. 5.7. Пассивный трехзвенный фильтр нижних частот
Приближенно для трехзвенного фильтра коэффициент подавления можно оценить по следующей формуле: , откуда , или .
Выбираем значение емкости , значение сопротивления резистора будет равно 3,43 кОм.
Выбираем значение конденсатора [2]
.
Выбираем значение резисторов [1]
/
Для минимизации влияния входных токов ОУ выбираем резистор равным сумме резисторов :
.
Пример расчёта преобразователя напряжение-ток
Схема преобразователя напряжение-ток представлена на рисунке 5.8 [10]. Выходной ток данной схемы равен: .
Рис. 5.8. Схема преобразователя напряжение-ток
Допустим, что по заданию, диапазон изменения выходного тока и входное напряжение . Пусть, когда коэффициент , , когда , . Соответственно,
,
.
Из последнего выражения видно, что , а находится из первого выражения: .
Осталось сформировать напряжение . Для этой цели проще всего использовать схему параметрического стабилизатора напряжения, представленную на рисунке 5.9.
В качестве стабилитрона выберем прецизионный стабилитрон Д818Е [3] с номинальным напряжением стабилизации 9 В. Делитель напряжения должен обеспечить выходное напряжение . Рассчитаем делитель напряжения.
; .
Откуда . Задаваясь , находим . Выбираем [1]
,
.
Рис. 5.9. Формирователь напряжения смещения
Сопротивление – балластное должно пропустить ток стабилитрона и ток делителя .
.
Ток стабилитрона задаем 10 мА, тогда
.
Выбираем [1]
.
В качестве DA выбираем микросхему К140УД17А [5].
Пример расчёта генератора квадратурных напряжений
Схема генератора квадратурных напряжений представлена на рисунке 5.10.
Рис. 5.10. Квадратурный генератор синусоидальных колебаний
Передаточная функция петлевого усиления для этого генератора будет иметь вид: , а комплексный коэффициент передачи
.
Баланс фаз будет сохранен только на частоте , при которой мнимая часть знаменателя равна нулю.
, где ; ; ; .
; .
Обозначая через коэффициент передачи звена на основе ОУ1, а через – коэффициент передачи звена на основе ОУ2 – интегратора, получим: ,
.
Обозначим отношение к через . .
.
Тогда можно записать:
или .
Пусть, например, и, выбирая стабилитрон на , можно найти : .
Положим, что коэффициент передачи . Выберем , ; . Тогда , , .
,
.
При этом , следовательно .
По заданию , тогда .
Зададим значение емкости , тогда .
.
Выбираем [1]
.
В качестве конденсатора выбираем слюдяной конденсатор КС0-1 [2]
,
.
Для расчета постоянной времени интегратора имеем , .
; , следовательно, .
.
Выбираем , тогда .
Выбираем [1, 2]:
,
.
В качестве стабилитрона выбираем стабилитрон КС133Г [3].
.
Используем два стабилитрона, поскольку необходимо двухполярное ограничение. Тогда резистор r рассчитываем из следующих соображений
.
Выбираем r [1]
.
Принципиальная схема генератора дана на рисунке 5.11.
Рис. 5.11. Принципиальная схема генератора квадратурных колебаний
Рекомендуемые страницы:
Воспользуйтесь поиском по сайту:
megalektsii.ru
Квадратурный rc-генератор гармонических колебаний
Использование: в радиотехнике в системах связи, измерительная техника. Сущность изобретения: квадратурный RC-генератор гармонических колебаний содержит первый операционный усилитель 1, первый резистор 2, первый конденсатор 5, второй и третий операционные усилители 6, 7, третий резистор 9, цепь положительной обратной связи 10, пятый, шестой, седьмой резисторы 11-13. Повышение температурной стабильности амплитуды выходных колебаний при упрощении достигается вследствие взаимодействия многих замкнутых петель, образующихся в квадратурном RC-генераторе гармонических колебаний из-за наличия обратных связей. 1 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)5 Н03 В 5/26
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4858657/09 (22) 08.08.90 (46) 07.02.93. Бюл. М 5 (71) Таганрогский радиотехнический институт им.В.Д. Калмыкова (72) В.С.Григорьев, С.В.Гришин и С,Г.Крутчинский (56) Авторское свидетельство СССР
М 1658369, кл. Н 03 В 5/26, 20.07.89. (54) КВАДРАТУРНЫЙ RC-ГЕНЕРАТОР ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ (57) Использование: в радиотехнике в системах связи, измерительная техника. Сущ Ы,, 1793529 А1 ность изобретения: квадратурный RC-генератор гармонических колебаний содержит первый операционный усилитель 1, первый резистор 2, первый конденсатор 5, второй и третий операционные усилители 6, 7, третий резистор 9, цепь положительной обратной связи 10, пятый, шестой, седьмой резисторы 11 — 13. Повышение температурной стабильности амплитуды выходных колебаний при упрощении достигается вследствие взаимодействия многих замкну- тых петель, образующихся в квадратурном
RC-генераторе гармонических колебаний из-за наличия обратных связей. 1 ил.
1793529
Изобретение относится к области рэдиотехники и может быть использовано в системе связи, измерительной технике.
Целью изобретения является повышение температурной стабильности амплитуды выходных колебаний при упрощении, На чертеже представлена электрическая схема устройства, Квадратурный RC-генератор гармонических колебаний содержит первый операционный усилитель (ОУ) 1, первый резистор
2, первый конденсатор 3, второй резистор 4, второй конденсатор 5, второй и третий ОУ 6, 7, третий резистор 0, четвертый резистор 9, цель положительной обратной связи 10, пятый, шестой и седьмой резисторы 11 — 13.
Квадратурный RC-генератор гармонических, колебаний работает следующим образом, Квадратурный RC-генератор гармонических колебаний представляет собой многопетлевую структуру: петля, охватывающая первый и второй OY 1, 6, петля охватывающая второй и третий ОУ 6, 7 петля, охватывающая первый, второй и третий OY 1, 6, 7 и Т-образный мост, образованный пятым, шестым и седьмым резисторами 11, 12, 13 петля охватывающая первый, второй, третий ОУ 1; 6, 7 и цепь положительной обратной связи 10, По этим петлям на определенной частоте фазы могут принимать значения О, 2 л; 4 гг(баланс фаз), Если при этом на той же частоте выполняется также и условие баланса амплитуд, что соответствует превышению суммарного эффекта положительных обратных связей над эффектом отрицательных обратных связей, то возникнут незатухающие гармонические колебания определенной частоты. Вторая, третья и более высокие гармоники этой частоты будут подавляться, так как для них условия генерации (баланс фаз и баланс амплитуд) не выполняются, а на первом и второй выходах будут наблюдаться синусоидальные сигналы, сдвинутые по фазе на
90 (квадратурные сигналы). В квадратурном RC-генераторе гармонических колебаний обеспечивается компенсация влияния частотных свойств ОУ как на условие баланса амплитуд, так и на уход (смещение) частоты генерации без четвертого ОУ (как в прототипе), что приводит к упрощению. Взаимодействие всех выше перечисленных петель приводит к повышению температурной стабильности амплитуды выходных колебаний.
55 дом третьего операционного усилителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, второй вывод второго резистора соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к общей шине, цепь отрицательной обратной связи выполнена в виде резистивного Т-образного моста, который состоит из последовательно соединенных пятого и шестого резисторов и седьмого резистора, который включен между точкой соединения пятого и шестого резисторов и общей шиной, при этом второй вывод пятого резистора является первым выводом цепи отрицательной обратной связи, вторым выводом которой является второй вывод шестого резистора, который подключен к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя, а второй вывод четвертого резистора подключен к выходу третьего операционного усилителя.
Формула изобретения
Квадратурный RC-генератор гармонических колебаний. содержащий первый, второй и третий операционные усилители, первый конденсатор, который включен между выходом и инвертирующим входом перваго операционного усилителя, второй конденсатор, первый резистор, первый вывод которого подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй резистор, первый вывод которого подключен к выходу первого операционного усилителя, третий резистор, который включен между выходом второго операционного усилителя и инвертирующим входом третьего операционного усилителя, четвертый резистор, первый вывод которого подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, цепь положи20 тельной обратной связи, которая включена между выходом первого операционного усилителя и инвертирующим входом третьего операционного усилителя, цепь отрицательной обратной связи, первый вывод которой подключен к выходу первого операционного усилителя, при этом инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, а неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к общей шине, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения температурной стабильности амплитуды выходных колебаний при упрощении, второй вывод первого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, второй конденсатор включен между выхо
findpatent.ru
двухфазный lc-генератор квадратурных гармонических колебаний – патент РФ 2485667
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для генерации гармонических колебаний. Достигаемый технический результат – создание LC-генератора двух квадратурных колебаний с фиксированным сдвигом фазы /2, не изменяющимся при перестройке частоты генерируемых колебаний. Двухфазный LC-генератор квадратурных гармонических колебаний содержит параллельный колебательный LC-контур, двухкаскадный неинвертирующий активный усилительный широкополосный элемент, первый каскад которого должен иметь большое входное сопротивление, а второй каскад должен иметь большое выходное сопротивление, последовательно с катушкой индуктивности L в контуре включен резистивный элемент с малым сопротивлением или его эквивалент, к которому присоединен вход дополнительного широкополосного усилителя, на выходе которого получают гармонические колебания, квадратурные по отношению к гармоническим колебаниям на выходе первого каскада активного элемента. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. 
Рисунки к патенту РФ 2485667
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам формирования (генерации) гармонических электрических колебаний одной частоты с различными фазами.
Уровень техники
Известны методы и устройства формирования (генерации) гармонических электрических колебаний одной частоты с различными фазами (обычно сдвинутыми по фазе на /2) [1-6], основанные на использовании фазосдвигающих RC-цепей (интегрирующих или дифференцирующих). Это, например, многофазные RC-генераторы в [1], измерительные низкочастотные генераторы квадратурных гармонических колебаний (с фазовым сдвигом /2) и колебаний сложной формы типа Г6-15, Г6-26 и др. [2]. Генератор трехфазных гармонических колебаний с тремя последовательно включенными интегрирующими RC-усилителями [3], а также RC-генератор с двумя интегрирующими цепочками, конденсаторы в которых заземлены и выполнены в виде сдвоенного переменного конденсатора, обеспечивающего плавную перестройку частоты колебаний с сохранением постоянного сдвига фазы [4]. Такой двухфазный генератор гармонических колебаний с двумя интегрирующими усилителями был запатентован в [5], а в [6] предложен образец такого генератора квадратурных синусоидальных сигналов с малыми нелинейными искажениями, с колебательным звеном на основе двух интеграторов и инвертора, работающий в диапазоне частот от 1 Гц до 200 кГц.
Известные устройства для генерации двухфазных (квадратурных) гармонических колебаний на основе RC-интеграторов, таким образом, могут работать только в диапазоне низких частот (до сотен кГц), что является их главным недостатком. Кроме того, RC-генераторы имеют, как известно, невысокую стабильность частоты.
На более высоких частотах (единицы-десятки МГц) наибольшее распространение для генерации гармонических колебаний получили LC-генераторы на полупроводниковых активных элементах [8]. В них частота генерации задается L и С элементами, образующими резонансный колебательный контур, а перестройка этой частоты осуществляется, как правило, изменением емкости контура (С) при использовании переменного конденсатора или, например, варикапов (при электронной перестройке частоты генерации). При обширном многообразии различных схем LC-генераторов [8, 9] наибольшее распространение получили так называемые «трехточечные» (ТТ) схемы, содержащие, как правило, однотранзисторный активный элемент (биполярный (БТ) или полевой (ПТ) транзистор) и три реактивных элемента (L, С), определяющих не только частоту генерации, но и величину коэффициента обратной связи (положительной, за счет которой и обеспечивается возбуждение колебаний в генераторе). При этом различают индуктивные ТТ схемы (с двумя L и одним С элементами) и емкостные ТТ схемы (с одним L и двумя С-элементами). Однако эти простые ТТ схемы обеспечивают не самую высокую стабильность частоты генерируемых колебаний, которая ограничивается величиной эквивалентной (нагруженной) добротности колебательного L, С-контура ОЭ. В ТТ схемах этот контур шунтируется как выходным, так и входным сопротивлениями активного элемента (которое мало у БТ), поэтому величина его эквивалентной добротности ОЭ оказывается не очень высокой.
Наименьшее шунтирование LC-контура и, следовательно, наибольшая величина QЭ достигаются в так называемых «двухточечных» схемах LC-генераторов [8, 9], в которых используется параллельный LC-контур (с «полным» включением) и активный элемент из двух-трех транзисторов. Так, например, в схеме генератора со стабилизатором тока ([8]. – С.104, рис.7.13) используется параллельный LC-контур, подключенный ко входу ПТ. Положительная обратная связь осуществляется через стабилизатор тока на двух ВТ, образующих «токовое зеркало», вход которого подключен к выходу ПТ, а выход подключен к контуру. Стабилизируемый ток регулируется переменным резистором (в цепях эмиттеров БТ). В этой схеме контур шунтируется входным сопротивлением ПТ (которое велико) и выходным сопротивлением генератора стабильного тока (оно тоже велико), поэтому величина ОЭ и стабильность частоты этого генератора примерно в 10 раз выше, чем у других подобных генераторов [8]. Похожая (но более простая) схема «двухточечного» LC-генератора приведена в [9] (на с.78, рис.2.31), в которой используется активный элемент на ПТ (по схеме с общим истоком с большим RВХ и на БТ (с общим эмиттером с большим Rвых). Эта схема идентична схеме высокостабильного двухточечного генератора из более раннего источника [10], в котором приводятся некоторые экспериментальные данные, подтверждающие гораздо более высокую стабильность частоты (кратковременную) этого генератора по сравнению с ТТ схемами.
Среди многочисленных вариантов схем LC-генераторов, однако, не было найдено генераторов гармонических колебаний квадратурных с двумя выходами с фиксированным сдвигом фазы /2, сохраняющимся при перестройке частоты генерируемых колебаний.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является создание LC-генератора двух квадратурных колебаний с фиксированным сдвигом фазы /2, не изменяющимся при перестройке частоты генерируемых колебаний. Способ получения таких колебаний основан на использовании известной взаимосвязи между током в катушке индуктивности L(1) (0 и напряжением на ней uL(t)=L dL/dt (см., например, [7]). При гармоническом воздействии uL(t)=Ucos t, в частности (как показано в [7] на с.54), ток L(t)=(U/ L) sin t=ILcos( t- /2) также (как и uL) имеет форму гармонического колебания, сдвинутого по фазе на /2. Поэтому, включив последовательно с катушкой индуктивности L постоянный резистор R с малым сопротивлением (RR<< L), получим при гармоническом напряжении на катушке индуктивности L uL=Ucoscot на резистивном элементе напряжение, пропорциональное току в катушке индуктивности L(t) в виде Ur(t)=R·Il cos( t- /2) гармонического напряжения, сдвинутого по фазе на /2. Для реализации этого способа получения квадратурных гармонических колебаний лучше всего подходит рассмотренная выше схема «двухточечного» LC-генератора с полным включением параллельного LC-контура (прототип) [8, 9, 10]. Схема функциональная предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Она содержит колебательный контур 1, включающий в себя катушку индуктивности L и емкостную цепь 2, составленную (в общем случае) из конденсатора постоянной емкости Со и переменного конденсатора С П (для перестройки частоты генерируемых колебаний), а также варикапов (для электронной перестройки частоты). Активный элемент генератора 3 включает в себя последовательно соединенные широкополосные усилительные каскады (инвертирующие (оба) или неинвертирующие) 4 с большим входным сопротивлением и 5 (с большим выходным сопротивлением), при этом вход каскада 4 и выход каскада 5 соединены вместе с одним полюсом колебательного контура 1, другой вывод которого соединен с общей шиной общей для контура и усилителей (всех), как показано на фиг.1 Для осуществления положительной обратной связи и возбуждения генератора усилительные каскады 4 и 5 должны вместе обеспечивать достаточное усиление и «нулевой» суммарный фазовый сдвиг =0+2 n (где n – целое число) выходных колебаний каскада 5 относительно входных колебаний каскада 4. Имеется также (в общем случае) выходной буферный широкополосный усилительный каскад 6 (инвертирующий или неинвертирующий), вход которого соединен с выходом активного элемента 3 (например, с выходом каскада 4), а выход 7 является одним выходом устройства. Для одновременного получения квадратурных колебаний последовательно с катушкой индуктивности L в контуре включен резистивный элемент 8 R с малым сопротивлением (или его эквивалент), к которому присоединен вход дополнительного широкополосного усилителя 9, к выходу которого (в общем случае) подключен еще и буферный широкополосный выходной усилительный каскад 10 (инвертирующий или неинвертирующий), выход которого образует другой выход устройства 11, гармонический сигнал которого сдвинут по фазе на 90° ( /2) относительно сигнала на выходе 7.
Схема предложенного генератора может быть упрощена при включении в контур последовательно с катушкой индуктивности L входа дополнительного усилителя 9 с малым входным сопротивлением RВX (которое будет выполнять функцию резистивного элемента R в схеме на фиг.1), например с входным каскадом, выполненном на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой. Для уменьшения изменения амплитуды колебаний на другом выходе 11 при перестройке частоты (это вытекает из зависимости от частоты амплитуды тока в катушке индуктивности IL=U/ L) дополнительный усилитель 9 следует выполнить с цепью автоматической регулировки усиления (АРУ).
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства: Справочник. – М.: Радио и связь, 1984. – С.230-232.
2. Справочник по радиоизмерительным приборам. Под ред. В.С.Насонова. – Т.2. Измерение частоты, времени и мощности. Измерительные генераторы. – М.: Сов. радио, 1977. – С.158-165.
3. Ryder A.D.Multiphase low distortion oscillator. Wireless World, lanuary, 1981. P.59-60.
4. Pleass W. Phase – Shifting Oscillator. – Wireless World, June 1983. – P.33.
5. А.с. 1171958 (МКИ4), Н03В 27/00 СССР. Двухфазный генератор гармонических колебаний. – Институт химии твердого тела и переработки минерального сырья СО АН СССР / В.И.Кенцин и С.П.Новицкий. – Опубл. 16.12.83, БИ № 29.
6. Рыбин Ю.К., Будейкин В.П., Маслов В.А., Фахретдинов П.Р. Генератор синусоидальных сигналов с малыми нелинейными искажениями. – Приборы и техника эксперимента. – 1988. – № 6. – С.202.
7. Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – Л.: Энергия, 1972. – С.54.
8. Горошков Б. И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник. – М.: Радио и связь, 1988. – С.104.
9. Афонский А.А.. Дъяконов В.П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. Серия «Библиотека инженера». Под ред. проф. В.П.Дьяконова. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2007. – С.78.
10. Петин Г. Высокостабильный двухточечный генератор. Радиолюбитель. – 1997. – № 7. – С.34.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Двухфазный LC-генератор квадратурных гармонических колебаний, содержащий параллельный колебательный LC-контур, частота которого перестраивается за счет изменения емкости С, один вывод которого соединен с общей шиной, а к другому выводу которого присоединен вход двухкаскадного неинвертирующего активного усилительного широкополосного элемента, первый каскад которого должен иметь большое входное сопротивление, а второй каскад должен иметь большое выходное сопротивление, и его выход соединен с другим выводом колебательного LC-контура и с входом первого каскада, отличающийся тем, что последовательно с катушкой индуктивности колебательного контура между одним ее выводом и общей шиной включен резистивный элемент с малым сопротивлением, или его эквивалент, к которому присоединен вход дополнительного широкополосного усилителя, с выхода которого получают гармонические колебания, квадратурные, то есть сдвинутые по фазе на /2 относительно основных колебаний на колебательном контуре и на выходе первого каскада активного элемента генератора.
2. Двухфазный LC-генератор квадратурных гармонических колебаний по п.1, отличающийся тем, что последовательно с катушкой индуктивности колебательного контура включен вход дополнительного усилителя с малым входным сопротивлением, например, с входным каскадом, выполненным на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой, и этот дополнительный усилитель следует выполнить с цепью автоматической регулировки усиления.
www.freepatent.ru
Двухфазный квадратурный генератор
Сеюз ЮРветскии
Соцналмстичесинк
Ресвубпии
ОП И о»652682
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ, (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51) М. Кл. (22) Заявлено 043477 (21) 2469695/18-09 с присоединением заявки йа (23) Приоритет
Н 03 В 27/00
Н 03 В 5/06
Государетвеяяый комитет
СССР по делам изооретеиий и открытий, Опубликовано 150379. Бюллетень % 10 (53) УДК621. 373. .42(088.8) Дата опубликования описания 1503,79 (72) Авторы азобретеиия
Г.Х. Стерлин и В.Г. Сидоричев (71) Заявитель (54) ДВУХФАЗНЬЯ КВАДРАТУРНЫЙ ГЕНЕРАТОР
Изобретение относится к области генерирования электрических колебаний и может быть использовано в ус- тройствах отображения на электроннолучевых трубках и в аналого-цифровых преобразователях прямоугольных координат в полярные.
Известен двухфазный квадратурный генератор,. содержащий соединенные
s кольцо два интегратора и инвертор, при этом вторые входы интеграторов подключены к соответствующим выходам блока установки начальной фазы, а входы сброс — к выходу генератора импульсов сброса (1).
Однако известный двухфазный квадратурный генератор имеет низкое быстродействие, повышение которого может привести к снижению стабильности фазы. выходных колебаний.
Цель изобретения — повышение стабильности фазы выходных колебаний при повышении быстродействия. для этого в двухфазный квадратурный генератор, содержащий соединенные25 в кольцо два интегратора и ннвертор, при этом вторые входы интеграторов подключены к соответствующим выходам блока установки начальной фазы, а входы сброс — к выходу генерато- ра импульсов сброса, введены два сум матора, входы каждого иэ которых подключены к первому и второму входам соответствующего интегратора, а выходы являются выходами двухфазного квадратурного генератора.
На чертеже представлена структурная электрическая схема двухфазного квадратурного генератора. двухфазный квадратурный генератор содержит интеграторы 1 и 2, инвертор 3, генератор импульсов сброса 4, блок 5 установки начальной фазы и сумматоры 6 и 7. Каждый из интеграторов содержит операционный усилитель 8, резисторы 9 и 10, конденсатор 11 и ключ -12.
Предлагаемый двухфазный квадратурный генератор работает следующим образом.
Колебания в контуре, образованном интеграторами 1, 2 и инвертором 3, описываются уравнением =О (1)
dt т и возникают лишь при разомкнутых ключах 12. Если ключи замкнуты, то напряжения U„, U на выходах интеграто1з ров равны нулю. При этом йапряжения
U., U4 . на выходных клеммах двухт а “7(-” = 0 (а)+ И
7 5 (6),3 65 фазного квадратурного генератора равны соответственно напряжениям 0
Q
0 0 и – -+М„ (2) (ь
0 =U сов — +g
4 Т “/
,где т* “Ю “ь, – причем U **canst1;
=con
Т=к с„„й„оС н Ь 0
Доказывается это следующим образом.
В момент размыкания ключей 12
\ (tio)
0 (0)=0 (о) = О (3)
Для произвольного момента времени
t можно записать
u, (t ) = -u, (t ru= j (u, Ю О,)a о
0,ж =- — 0,(t ) И, Д, (S.) где 07Ю- напряжение на выходе инвертора 3.
-Ha основании уравнений (4) и (5) получают
2682
Формула изобретения
l0
Бсли начальная фаза н определяется соотношением напряжений начальных условий, то конечная фаза 9 всек цело определяется моментом времени, в который генератор импульсов сброса
4 эакорачивает ключи 12.
Таким образом, как видно из уравнений (7), предлагаемый двухфазный квадратурный генератор нырабатывает два синусоидальных напряжения, сдвинутых по фазе на 90 одно относительно другого с амплитудой, определяемой заданием начальных условий. При этом по сравнению с известным двухфазным квадратурным генератором его быстродейстние гораздо выше. Это обусловлено тем, что напряжение начальных условий в предлагаемом двухфазном квадратурном генераторе подаются не на схемы заряда конденсаторов, а на нторые входы соответствующих интеграторов. При этом нет необходимости в схемах заряда конденсаторов интеграторов, низкое быстродействие которых и снижает быстродействие всего устройства в целом. Разряд же перед началом работы конденсаторов интеграторов через малое сопротивление замкнутых ключей 12 происходит достаточно . быстро.
Однако подача напряжений начальных условий на нходы интеграторов 1 и 2 вызывает смещение выходных напряжений обоих интеграторов, для компенсации которого и введены сумматоры 6 и 7.
Решают систему уравнений (6) и ()=А з7и(,— +д -U (7 1 т г
U,(4) = A,соь — A – U6
Используя уравнение (3), определяют постоян нйе A q H Ag ° 6
Аг агса 0 тогда для выходных напряжений из и U> г г . / и
U 0 +U 0 U чп — +arctcr
3 б 5 Ь (Т иб ъи„„Ь7я —, rCtg—
Г . 0 1
0 = U i 0 0 сов arctg — )
Ug
4 Ь 1
0ь что соответствует уравнению (3) 40
Двухфазный квадратурный генератор, содержащий соединенные в кольцо два интегратора и инвертор, при этом вто-, рые нходы интеграторов подключены к соответствующим выходам блока установки начальной фазы, а входы сброс к выходу генератора импульсов сброса, о т л и ч а ю щ и и с. я тем, что, с целью повышения стабильности фазы выходных колебаний при повышении быстро-. действия, в него введены дна сумматора, входы каждого из которых подключены к первому и второму входам соответстнующего интегратора, а выходы являются выходами двухфазного квад-ратурного генератора.
Источники информации, принятые но внимание при экспертизе
1. Дж. Грэм. Проектирование и применение операционных усилителей, М., Мир, 1974, с. 433-436, р. 11.4.
652682
Составитель Н. Матвиенко .Техред М. Петко Корректоо Л. Веселовская
Редактор Т. Юрчикова
Заказ 1075/52 тираж 1059 Подписное
ЦНИИПИ Государственного, комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская йаб., д. 4/5
Филиал ППШ Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4
findpatent.ru
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР КВАДРАТУРНЫХ СИГНАЛОВ
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 управляемый генератор [Пат. №2506692 Российская Федерация, МПК7 Н03В 27/00. Управляемый генератор / Дубровин B.C., заявитель и патентообладатель Дубровин Виктор Степанович. – №2012137334/08; заявл. 31.08.12; опубл. 10.02.14, Бюл. №4], который содержит два перемножителя, два интегратора, релейный элемент, сумматор и блок управления, при этом выход первого интегратора соединен с первым входом второго перемножителя, входом релейного элемента, первым входом блока управления и первым выходом управляемого генератора, выход второго интегратора соединен со вторым выходом управляемого генератора, вторым входом блока управления и вторым входом сумматора, к выходу которого подключен первый вход первого перемножителя, второй вход которого соединен с управляющей шиной управляемого генератора и вторым входом второго перемножителя, причем выходы первого и второго перемножителей соединены соответственно с входами первого и второго интеграторов, третий и четвертый входы блока управления соединены соответственно с выходом релейного элемента и шиной опорного напряжения, а выход блока управления соединен с первым входом сумматора.
Блок управления выполнен из трех квадраторов, сумматора, умножителя, ограничителя и инвертора, при этом первый, второй и третий входы сумматора соединены, соответственно, с выходами первого, второго квадраторов и с выходом инвертора, вход которого соединен с выходом третьего квадратора, причем первый, второй и третий входы блока управления соединены соответственно с входами первого, второго и третьего квадраторов, четвертый вход блока управления соединен со вторым входом перемножителя, первый вход которого соединен с выходом сумматора, между выходом которого и выходом блока управления включен ограничитель.
Устройство предназначено для формирования квадратурных гармонических сигналов.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства и получение на его выходах квадратурных гармонических сигналов, а также квадратурных биполярных сигналов прямоугольной и треугольной формы с высокими метрологическими характеристиками при изменении частоты в широких пределах.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей предлагаемого устройства за счет введения третьего и четвертого сумматоров, второго релейного элемента, четвертого квадратора и четвертого перемножителя и организации новых связей между элементами, что позволило получить на его выходах квадратурные гармонические сигналы, а также квадратурные биполярные сигналы прямоугольной и треугольной формы с высокими метрологическими характеристиками при изменении частоты в широких пределах.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в функциональный генератор квадратурных сигналов, содержащий три перемножителя, два интегратора, три квадратора, два сумматора и релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом третьего перемножителя, первый вход которого подключен к выходу второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора, вход которого соединен с выходом первого интегратора, вход которого подключен к выходу первого перемножителя, второй вход которого соединен с шиной управления и вторым входом второго перемножителя, к выходу которого подключен вход второго интегратора, при этом выход второго квадратора соединен со вторым входом второго сумматора, третий вход которого соединен с шиной опорного напряжения, причем первый, второй и третий выходы функционального генератора соединены с выходами соответственно первого интегратора, релейного элемента и третьего перемножителя, дополнительно введены третий и четвертый сумматоры, второй релейный элемент, четвертый квадратор и четвертый перемножитель, первый вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, третий вход которого соединен с шиной опорного напряжения, а первый вход – с выходом третьего квадратора, между выходом которого и вторым входом четвертого сумматора включен четвертый квадратор, при этом выход второго интегратора соединен с входом третьего квадратора и вторым входом третьего сумматора, третий вход которого соединен с первым входом второго перемножителя, вторым входом четвертого перемножителя и выходом второго релейного элемента, вход которого подключен к выходу третьего сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора и первым входом первого сумматора, к выходу которого подключен вход релейного элемента, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора и первым входом первого умножителя, причем вход второго квадратора подключен к выходу первого квадратора, а четвертый, пятый и шестой выходы функционального генератора квадратурных сигналов соединены с выходами соответственно четвертого перемножителя, второго релейного элемента и второго интегратора.
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 третьего и четвертого сумматоров, второго релейного элемента, четвертого квадратора и четвертого перемножителя, а также организация новых связей между элементами позволили получить на его выходах квадратурные гармонические сигналы, а также квадратурные биполярные сигналы прямоугольной и треугольной формы с высокими метрологическими характеристиками при изменении частоты в широких пределах.
Изобретение поясняется структурной схемой функционального генератора квадратурных сигналов (фиг. 1) и графиками (фиг. 2 – фиг. 4), поясняющими принцип работы функционального генератора квадратурных сигналов.
Функциональный генератор квадратурных сигналов (фиг. 1) содержит четыре перемножителя (1-3, 16), два интегратора (4, 5), четыре квадратора (6-8, 15), четыре сумматора (9, 10, 12, 13) и два релейных элемента (11, 14), при этом первый релейный элемент 11 включен между выходом первого сумматора 11 и первым входом первого перемножителя 1, между выходом которого и входом первого квадратора 6 включен первый интегратор 4, выход которого соединен с первым входом первого сумматора 9 и первым входом второго сумматора 12, между выходом которого и первым входом второго перемножителя 2 включен второй релейный элемент 14, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора 12, второй вход которого подключен к выходу второго интегратора 5, между выходом которого и входом четвертого квадратора 15 включен третий квадратор 8, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора 13, третий вход которого соединен с шиной эталонного напряжения и третьим входом второго сумматора 10, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора 6, между выходом которого и вторым входом второго сумматора 10 включен второй квадратор 7, причем к выходу второго сумматора 10 подключен первый вход третьего перемножителя 3, второй вход которого соединен со вторым входом первого сумматора 9 и первым входом первого перемножителя 1, второй вход которого соединен с шиной управления и вторым входом второго перемножителя 2, к выходу которого подключен вход второго интегратора 5, выход которого соединен с шестым выходом функционального генератора квадратурных сигналов, пятый выход которого соединен с выходом второго релейного элемента 14 и вторым входом четвертого перемножителя 16, первый вход которого подключен к выходу четвертого сумматора 13, второй вход которого соединен с выходом четвертого квадратора 15, а первый, второй, третий и четвертый выходы функционального генератора квадратурных сигналов соединены с выходами соответственно первого интегратора 4, первого релейного элемента 11, третьего перемножителя 3 и четвертого перемножителя 16.
Функциональный генератор квадратурных сигналов работает следующим образом.
Перемножители 1 и 2, интеграторы 4 и 5, релейные элементы 11 и 14, а также сумматоры 9 и 10 образуют (фиг. 1) управляемый генератор квадратурных сигналов треугольной формы и биполярных сигналов прямоугольной формы.
Перемножитель 1 и инвертирующий интегратор 4 образуют управляемый интегратор, передаточная функция которого (в изображениях по Лапласу) имеет значение:
где s – комплексная переменная; Еу – управляющее напряжение; τ1 – постоянная времени первого интегратора 4; m1 – масштабный коэффициент перемножителя 1; τу1=τ1/Еу – управляемая постоянная времени.
Перемножитель 2 и инвертирующий интегратор 5 образуют второй управляемый интегратор, передаточная функция которого имеет значение:
где s – комплексная переменная; τ2 – постоянная времени второго интегратора 5; m2 – масштабный коэффициент второго перемножителя 2; τУ2=τ2/Еу – управляемая постоянная времени второго управляемого интегратора.
При τ1=τ2=τ; m1=m2=m=1 передаточные функции управляемых интеграторов также будут иметь одинаковые значения:
где.
В установившемся режиме (фиг. 2) на выходах первого 11 и второго 14 инвертирующих релейных элементов формируются соответствующие биполярные сигналы прямоугольной формы D1(t) и D2(t), которые поступают на входы соответствующих управляемых интеграторов.
На выходе первого управляемого интегратора формируется (фиг. 2) сигнал треугольной формы L1(t), а на выходе второго управляемого интегратора – аналогичный сигнал L2(t), сдвинутый по отношению к первому на 90 электрических градусов.
Первый 9 и второй 10 сумматоры обеспечивают (фиг. 2) формирование сигналов V1(t) и V2(t), поступающих на входы соответствующих релейных элементов 11 и 14, которые обеспечивают стабильные амплитудные значения сигналов прямоугольной и треугольной формы.
Амплитудные значения Dm1 и Dm2 (фиг. 2) соответствующих сигналов 2), (0 и D2(t) определяются значениями напряжений ограничения U01 и U02 соответствующих релейных элементов 11 и 14.
При равенстве U01=U02=U0 частота f формируемых сигналов треугольной и прямоугольной формы определяется следующим выражением:
откуда следует, что частота f формируемых сигналов будет линейно зависеть от изменения управляющего напряжения Еу.
Квадраторы 6 и 7, сумматор 10 и перемножитель 3 образуют (фиг. 1) первый формирователь гармонического сигнала, а квадраторы 8 и 15, сумматор 13 и перемножитель 16 – второй формирователь гармонического сигнала. Сигналы N1(t) и N2(t) поступают соответственно на третий и четвертый выходы функционального генератора.
Рассмотрим процесс формирования гармонических сигналов на примере второго формирователя (фиг. 3,б), поскольку процесс формирования гармонического сигнала N1(t) в первом формирователе будет происходить аналогичным образом.
Для нахождения аналитических выражений сигнала L2(t) используем общее выражение для прямой у=kx+b, проходящей через две точки с координатами (x1,y1) и (х2,у2):
где х – текущее значение угла в радианах.
Подставив в (1) координаты двух граничных точек [x1=0, у1=-А; х2=π, у2=А] для первого участка сигнала L2(t), получим:
Подставив в (1) координаты двух других граничных точек [x1=π, у1=А; х2=2π, у2=-А] для второго участка сигнала L2(t), получим:
Для упрощения рассуждений примем, что амплитудные значения сигнала L2(t) равны нормированному значению А=А*=1. В этом случае:
Рассмотрим работу формирователя гармонического сигнала на первом участке при x∈[π;2π]. На выходе третьего 8 и четвертого 15 квадраторов формируются (фиг. 3,б) соответствующие сигналы:
Сумматор 13 является инвертирующим, поэтому на его выходе будет сформирован сигнал:
где k41, k42 и k43 – коэффициенты передачи сумматора 13 по соответствующим входам, Е0 – величина опорного напряжения.
При k43=1, Е0=1 и с учетом (5) получим:
При х=0 и x=π (фиг. 3,б):
Из уравнения (7) найдем зависимость между коэффициентами k41 и k42:
Подставив значение коэффициента k42 из уравнения (8) в уравнение (6), получим:
Максимальное (экстремальное) значение М2 max будет (фиг. 4,г) при х=π/2:
Аналогичные результаты могут быть получены и для второго участка, при этом М2(π)=М2(2π)=0,а М2 max=М2(3π/2)=А*=1.
Анализ кривой М2(х) показывает, что сигнал по форме близок к синусоиде, поэтому для оценки погрешности ε(x) найдем разность между сигналом М2(х) и М0(х) для идеальной синусоиды:
причем, как следует из (9), величина погрешности будет зависеть от значения коэффициента k41.
Минимизация ошибки s(x) происходит при значении коэффициента k41≈1,2232, при этом коэффициент k42≈0,2232.
Формирование гармонического сигнала N2(x) происходит с помощью фазового модулятора, выполненного из перемножителя 16, на первый вход которого поступает (фиг. 4,г) однополярный сигнал М2(х), а на другой (фиг. 4,д) – управляющий сигнал D2(x) с выхода второго релейного элемента 14.
Таким образом, на выходе перемножителя 16 формируется гармонический сигнал N2(t), коэффициент искажения которого не превышает 0,072% при оптимальных значениях коэффициентов k41opt=1,2232 и k42opt=0,2232. Оптимизация коэффициентов и измерение нелинейных искажений производились с помощью блока (THD-Total harmonic distortion) программы PSIM 9.
Использование предлагаемого изобретения позволит расширить функциональные возможности устройства и получить на его выходах квадратурные гармонические сигналы, а также квадратурные биполярные сигналы прямоугольной и треугольной формы с высокими метрологическими характеристиками при изменении частоты в широких пределах.
Функциональный генератор квадратурных сигналов, содержащий три перемножителя, два интегратора, три квадратора, два сумматора и релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом третьего перемножителя, первый вход которого подключен к выходу второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора, вход которого соединен с выходом первого интегратора, вход которого подключен к выходу первого перемножителя, второй вход которого соединен с шиной управления и вторым входом второго перемножителя, к выходу которого подключен вход второго интегратора, при этом выход второго квадратора соединен со вторым входом второго сумматора, третий вход которого соединен с шиной опорного напряжения, причем первый, второй и третий выходы функционального генератора соединены с выходами соответственно первого интегратора, релейного элемента и третьего перемножителя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены третий и четвертый сумматоры, второй релейный элемент, четвертый квадратор и четвертый перемножитель, первый вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, третий вход которого соединен с шиной опорного напряжения, а первый вход – с выходом третьего квадратора, между выходом которого и вторым входом четвертого сумматора включен четвертый квадратор, при этом выход второго интегратора соединен с входом третьего квадратора и вторым входом третьего сумматора, третий вход которого соединен с первым входом второго перемножителя, вторым входом четвертого перемножителя и выходом второго релейного элемента, вход которого подключен к выходу третьего сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора и первым входом первого сумматора, к выходу которого подключен вход релейного элемента, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора и первым входом первого умножителя, причем вход второго квадратора подключен к выходу первого квадратора, а четвертый, пятый и шестой выходы функционального генератора квадратурных сигналов соединены с выходами соответственно четвертого перемножителя, второго релейного элемента и второго интегратора.edrid.ru
Функциональный генератор квадратурных сигналов
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 управляемый генератор [Пат. №2506692 Российская Федерация, МПК7 Н03В 27/00. Управляемый генератор / Дубровин B.C., заявитель и патентообладатель Дубровин Виктор Степанович. – №2012137334/08; заявл. 31.08.12; опубл. 10.02.14, Бюл. №4], который содержит два перемножителя, два интегратора, релейный элемент, сумматор и блок управления, при этом выход первого интегратора соединен с первым входом второго перемножителя, входом релейного элемента, первым входом блока управления и первым выходом управляемого генератора, выход второго интегратора соединен со вторым выходом управляемого генератора, вторым входом блока управления и вторым входом сумматора, к выходу которого подключен первый вход первого перемножителя, второй вход которого соединен с управляющей шиной управляемого генератора и вторым входом второго перемножителя, причем выходы первого и второго перемножителей соединены соответственно с входами первого и второго интеграторов, третий и четвертый входы блока управления соединены соответственно с выходом релейного элемента и шиной опорного напряжения, а выход блока управления соединен с первым входом сумматора.
Блок управления выполнен из трех квадраторов, сумматора, умножителя, ограничителя и инвертора, при этом первый, второй и третий входы сумматора соединены, соответственно, с выходами первого, второго квадраторов и с выходом инвертора, вход которого соединен с выходом третьего квадратора, причем первый, второй и третий входы блока управления соединены соответственно с входами первого, второго и третьего квадраторов, четвертый вход блока управления соединен со вторым входом перемножителя, первый вход которого соединен с выходом сумматора, между выходом которого и выходом блока управления включен ограничитель.
Устройство предназначено для формирования квадратурных гармонических сигналов.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства и получение на его выходах квадратурных гармонических сигналов, а также квадратурных биполярных сигналов прямоугольной и треугольной формы с высокими метрологическими характеристиками при изменении частоты в широких пределах.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей предлагаемого устройства за счет введения третьего и четвертого сумматоров, второго релейного элемента, четвертого квадратора и четвертого перемножителя и организации новых связей между элементами, что позволило получить на его выходах квадратурные гармонические сигналы, а также квадратурные биполярные сигналы прямоугольной и треугольной формы с высокими метрологическими характеристиками при изменении частоты в широких пределах.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в функциональный генератор квадратурных сигналов, содержащий три перемножителя, два интегратора, три квадратора, два сумматора и релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом третьего перемножителя, первый вход которого подключен к выходу второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора, вход которого соединен с выходом первого интегратора, вход которого подключен к выходу первого перемножителя, второй вход которого соединен с шиной управления и вторым входом второго перемножителя, к выходу которого подключен вход второго интегратора, при этом выход второго квадратора соединен со вторым входом второго сумматора, третий вход которого соединен с шиной опорного напряжения, причем первый, второй и третий выходы функционального генератора соединены с выходами соответственно первого интегратора, релейного элемента и третьего перемножителя, дополнительно введены третий и четвертый сумматоры, второй релейный элемент, четвертый квадратор и четвертый перемножитель, первый вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, третий вход которого соединен с шиной опорного напряжения, а первый вход – с выходом третьего квадратора, между выходом которого и вторым входом четвертого сумматора включен четвертый квадратор, при этом выход второго интегратора соединен с входом третьего квадратора и вторым входом третьего сумматора, третий вход которого соединен с первым входом второго перемножителя, вторым входом четвертого перемножителя и выходом второго релейного элемента, вход которого подключен к выходу третьего сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора и первым входом первого сумматора, к выходу которого подключен вход релейного элемента, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора и первым входом первого умножителя, причем вход второго квадратора подключен к выходу первого квадратора, а четвертый, пятый и шестой выходы функционального генератора квадратурных сигналов соединены с выходами соответственно четвертого перемножителя, второго релейного элемента и второго интегратора.
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 третьего и четвертого сумматоров, второго релейного элемента, четвертого квадратора и четвертого перемножителя, а также организация новых связей между элементами позволили получить на его выходах квадратурные гармонические сигналы, а также квадратурные биполярные сигналы прямоугольной и треугольной формы с высокими метрологическими характеристиками при изменении частоты в широких пределах.
Изобретение поясняется структурной схемой функционального генератора квадратурных сигналов (фиг. 1) и графиками (фиг. 2 – фиг. 4), поясняющими принцип работы функционального генератора квадратурных сигналов.
Функциональный генератор квадратурных сигналов (фиг. 1) содержит четыре перемножителя (1-3, 16), два интегратора (4, 5), четыре квадратора (6-8, 15), четыре сумматора (9, 10, 12, 13) и два релейных элемента (11, 14), при этом первый релейный элемент 11 включен между выходом первого сумматора 11 и первым входом первого перемножителя 1, между выходом которого и входом первого квадратора 6 включен первый интегратор 4, выход которого соединен с первым входом первого сумматора 9 и первым входом второго сумматора 12, между выходом которого и первым входом второго перемножителя 2 включен второй релейный элемент 14, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора 12, второй вход которого подключен к выходу второго интегратора 5, между выходом которого и входом четвертого квадратора 15 включен третий квадратор 8, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора 13, третий вход которого соединен с шиной эталонного напряжения и третьим входом второго сумматора 10, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора 6, между выходом которого и вторым входом второго сумматора 10 включен второй квадратор 7, причем к выходу второго сумматора 10 подключен первый вход третьего перемножителя 3, второй вход которого соединен со вторым входом первого сумматора 9 и первым входом первого перемножителя 1, второй вход которого соединен с шиной управления и вторым входом второго перемножителя 2, к выходу которого подключен вход второго интегратора 5, выход которого соединен с шестым выходом функционального генератора квадратурных сигналов, пятый выход которого соединен с выходом второго релейного элемента 14 и вторым входом четвертого перемножителя 16, первый вход которого подключен к выходу четвертого сумматора 13, второй вход которого соединен с выходом четвертого квадратора 15, а первый, второй, третий и четвертый выходы функционального генератора квадратурных сигналов соединены с выходами соответственно первого интегратора 4, первого релейного элемента 11, третьего перемножителя 3 и четвертого перемножителя 16.
Функциональный генератор квадратурных сигналов работает следующим образом.
Перемножители 1 и 2, интеграторы 4 и 5, релейные элементы 11 и 14, а также сумматоры 9 и 10 образуют (фиг. 1) управляемый генератор квадратурных сигналов треугольной формы и биполярных сигналов прямоугольной формы.
Перемножитель 1 и инвертирующий интегратор 4 образуют управляемый интегратор, передаточная функция которого (в изображениях по Лапласу) имеет значение:
где s – комплексная переменная; Еу – управляющее напряжение; τ1 – постоянная времени первого интегратора 4; m1 – масштабный коэффициент перемножителя 1; τу1=τ1/Еу – управляемая постоянная времени.
Перемножитель 2 и инвертирующий интегратор 5 образуют второй управляемый интегратор, передаточная функция которого имеет значение:
где s – комплексная переменная; τ2 – постоянная времени второго интегратора 5; m2 – масштабный коэффициент второго перемножителя 2; τУ2=τ2/Еу – управляемая постоянная времени второго управляемого интегратора.
При τ1=τ2=τ; m1=m2=m=1 передаточные функции управляемых интеграторов также будут иметь одинаковые значения:
где.
В установившемся режиме (фиг. 2) на выходах первого 11 и второго 14 инвертирующих релейных элементов формируются соответствующие биполярные сигналы прямоугольной формы D1(t) и D2(t), которые поступают на входы соответствующих управляемых интеграторов.
На выходе первого управляемого интегратора формируется (фиг. 2) сигнал треугольной формы L1(t), а на выходе второго управляемого интегратора – аналогичный сигнал L2(t), сдвинутый по отношению к первому на 90 электрических градусов.
Первый 9 и второй 10 сумматоры обеспечивают (фиг. 2) формирование сигналов V1(t) и V2(t), поступающих на входы соответствующих релейных элементов 11 и 14, которые обеспечивают стабильные амплитудные значения сигналов прямоугольной и треугольной формы.
Амплитудные значения Dm1 и Dm2 (фиг. 2) соответствующих сигналов 2), (0 и D2(t) определяются значениями напряжений ограничения U01 и U02 соответствующих релейных элементов 11 и 14.
При равенстве U01=U02=U0 частота f формируемых сигналов треугольной и прямоугольной формы определяется следующим выражением:
откуда следует, что частота f формируемых сигналов будет линейно зависеть от изменения управляющего напряжения Еу.
Квадраторы 6 и 7, сумматор 10 и перемножитель 3 образуют (фиг. 1) первый формирователь гармонического сигнала, а квадраторы 8 и 15, сумматор 13 и перемножитель 16 – второй формирователь гармонического сигнала. Сигналы N1(t) и N2(t) поступают соответственно на третий и четвертый выходы функционального генератора.
Рассмотрим процесс формирования гармонических сигналов на примере второго формирователя (фиг. 3,б), поскольку процесс формирования гармонического сигнала N1(t) в первом формирователе будет происходить аналогичным образом.
Для нахождения аналитических выражений сигнала L2(t) используем общее выражение для прямой у=kx+b, проходящей через две точки с координатами (x1,y1) и (х2,у2):
где х – текущее значение угла в радианах.
Подставив в (1) координаты двух граничных точек [x1=0, у1=-А; х2=π, у2=А] для первого участка сигнала L2(t), получим:
Подставив в (1) координаты двух других граничных точек [x1=π, у1=А; х2=2π, у2=-А] для второго участка сигнала L2(t), получим:
Для упрощения рассуждений примем, что амплитудные значения сигнала L2(t) равны нормированному значению А=А*=1. В этом случае:
Рассмотрим работу формирователя гармонического сигнала на первом участке при x∈[π;2π]. На выходе третьего 8 и четвертого 15 квадраторов формируются (фиг. 3,б) соответствующие сигналы:
Сумматор 13 является инвертирующим, поэтому на его выходе будет сформирован сигнал:
где k41, k42 и k43 – коэффициенты передачи сумматора 13 по соответствующим входам, Е0 – величина опорного напряжения.
При k43=1, Е0=1 и с учетом (5) получим:
При х=0 и x=π (фиг. 3,б):
Из уравнения (7) найдем зависимость между коэффициентами k41 и k42:
Подставив значение коэффициента k42 из уравнения (8) в уравнение (6), получим:
Максимальное (экстремальное) значение М2 max будет (фиг. 4,г) при х=π/2:
Аналогичные результаты могут быть получены и для второго участка, при этом М2(π)=М2(2π)=0,а М2 max=М2(3π/2)=А*=1.
Анализ кривой М2(х) показывает, что сигнал по форме близок к синусоиде, поэтому для оценки погрешности ε(x) найдем разность между сигналом М2(х) и М0(х) для идеальной синусоиды:
причем, как следует из (9), величина погрешности будет зависеть от значения коэффициента k41.
Минимизация ошибки s(x) происходит при значении коэффициента k41≈1,2232, при этом коэффициент k42≈0,2232.
Формирование гармонического сигнала N2(x) происходит с помощью фазового модулятора, выполненного из перемножителя 16, на первый вход которого поступает (фиг. 4,г) однополярный сигнал М2(х), а на другой (фиг. 4,д) – управляющий сигнал D2(x) с выхода второго релейного элемента 14.
Таким образом, на выходе перемножителя 16 формируется гармонический сигнал N2(t), коэффициент искажения которого не превышает 0,072% при оптимальных значениях коэффициентов k41opt=1,2232 и k42opt=0,2232. Оптимизация коэффициентов и измерение нелинейных искажений производились с помощью блока (THD-Total harmonic distortion) программы PSIM 9.
Использование предлагаемого изобретения позволит расширить функциональные возможности устройства и получить на его выходах квадратурные гармонические сигналы, а также квадратурные биполярные сигналы прямоугольной и треугольной формы с высокими метрологическими характеристиками при изменении частоты в широких пределах.
Функциональный генератор квадратурных сигналов, содержащий три перемножителя, два интегратора, три квадратора, два сумматора и релейный элемент, выход которого соединен со вторым входом третьего перемножителя, первый вход которого подключен к выходу второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора, вход которого соединен с выходом первого интегратора, вход которого подключен к выходу первого перемножителя, второй вход которого соединен с шиной управления и вторым входом второго перемножителя, к выходу которого подключен вход второго интегратора, при этом выход второго квадратора соединен со вторым входом второго сумматора, третий вход которого соединен с шиной опорного напряжения, причем первый, второй и третий выходы функционального генератора соединены с выходами соответственно первого интегратора, релейного элемента и третьего перемножителя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены третий и четвертый сумматоры, второй релейный элемент, четвертый квадратор и четвертый перемножитель, первый вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, третий вход которого соединен с шиной опорного напряжения, а первый вход – с выходом третьего квадратора, между выходом которого и вторым входом четвертого сумматора включен четвертый квадратор, при этом выход второго интегратора соединен с входом третьего квадратора и вторым входом третьего сумматора, третий вход которого соединен с первым входом второго перемножителя, вторым входом четвертого перемножителя и выходом второго релейного элемента, вход которого подключен к выходу третьего сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора и первым входом первого сумматора, к выходу которого подключен вход релейного элемента, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора и первым входом первого умножителя, причем вход второго квадратора подключен к выходу первого квадратора, а четвертый, пятый и шестой выходы функционального генератора квадратурных сигналов соединены с выходами соответственно четвертого перемножителя, второго релейного элемента и второго интегратора.edrid.ru
