СПОСОБ УСИЛЕНИЯ СИНУСОИДАЛЬНЫХ И КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
METHOD OF AMPLIFICATION OF SINE AND QUASI-SINE SIGNALS

Изобретение относится к области радиотехники и позволяет создавать широкополосные усилители с равномерной амплитудно-частотной характеристикой, предназначенные для работы с синусоидальными, квазисинусоидальными, а также узкополосными сигналами.
На протяжении многих лет применяют способ усиления сигналов различного спектрального состава, согласно которому для получения относительно равномерного усиления сигналов в заданном диапазоне частот осуществляют частотную коррекцию усилительных трактов, с физической точки зрения состоящей в изменении инерционных свойств усилительных трактов на тех участках частотного диапазона, где требуется изменить частотно-зависимый коэффициент усиления, см. например [Николаенко Н.С. Проектирование транзисторных усилителей. - М: Энергия, 1965, стр. 304-307; Пат. RU 2568314. Опубл. 20.11.2015; Пат. RU 2669075. Опубл. 08.10.2018]. Достоинствами такого подхода являются простота и возможность усиления сигналов с относительно широким сплошным спектром. К недостатку следует отнести сложность получения гладкой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на тех участках, где проводится коррекция
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому решению является способ, предусматривающий подачу на вход усилителя усиливаемого сигнала, снятие усиленного сигнала с его выхода и управление коэффициентом усиления усилителя в зависимости от полученного результата сравнения выходного сигнала с входным [Пат. RU 2556392. Опубл. 10.07.2015]. Для реализации способа служит устройство, содержащее усилительный блок с управляемым коэффициентом усиления, измеритель нелинейных искажений, блок сравнения и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом усилительного блока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом устройства.
Особенностью способа, выбранного в качестве прототипа, является изменение коэффициента усиления усилительного блока в зависимости от входного сигнала и, как следствие, от возникающих при его усилении нелинейных искажений. Несмотря на наличие с заявляемым способом усиления синусоидальных и квазисинусоидальных сигналов общих действий, способ-прототип разрабатывался для усиления сигналов с относительно широким сплошным спектром, с обеспечением возможности снижения нелинейных искажений  за счет управления коэффициентом усиления. Он не ориентирован на снижение частотных искажений, относящихся к классу линейных искажений и, следовательно, его применение не позволит повысить степень равномерности усиления в заданном диапазоне частот.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящей группы изобретений, состоит в снижении частотных искажений, возникающих при усилении синусоидальных и квазисинусоидальных сигналов в относительно широкой полосе частот.
Технический результат достигается тем, что в способе усиления синусоидальных и квазисинусоидальных сигналов, состоящем в подаче на вход усилителя с частотно зависимой характеристикой усиливаемого сигнала, снятии усиленного сигнала с выхода усилителя, согласно изобретению, предварительно определяют амплитудно-частотную характеристику усилителя, измеряют частоту сигнала и далее полученное значение частоты используют для коррекции коэффициента усиления путем установления функциональной связи с амплитудно-частотной характеристикой усилителя.
Кроме того, для достижения технического результата, согласно изобретению, функциональную связь с амплитудно-частотной характеристикой тракта усиления устанавливают путем изменения коэффициента усиления в количество раз, пропорциональное значению обратной амплитудно-частотной характеристики в точке, соответствующей измеренной частоте сигнала.
Кроме того, для достижения технического результата, согласно изобретению, измерение частоты сигнала осуществляют путем предварительного деления частоты в n раз (n≥ 2), после чего результат измерения увеличивают в n раз.
Кроме того, для достижения технического результата, согласно изобретению, частоту сигнала измеряют до его усиления.
Кроме того, для достижения технического результата, согласно изобретению, частоту сигнала измеряют после его усиления.
Технический результат достигается также тем, что усилитель с автокоррекцией (вариант 1), содержащий усилительный блок с управляемым коэффициентом усиления и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом усилительного блока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом усилителя с автокоррекцией, согласно изобретению, содержит измеритель частоты и функциональный преобразователь, вход измерителя частоты объединен со входом усилителя с автокоррекцией, выход измерителя частоты соединен со входом функционального преобразователя, выход которого соединен со входом блока управления.
Технический результат достигается также тем, что усилитель с автокоррекцией (вариант 2), содержащий усилительный блок с управляемым коэффициентом усиления и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом усилительного блока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом усилителя с автокоррекцией, согласно изобретению, содержит измеритель частоты и функциональный преобразователь, вход измерителя частоты объединен с выходом усилителя с автокоррекцией, выход измерителя частоты соединен со входом функционального преобразователя, выход которого соединен со входом блока управления.
Технический результат достигается также тем, что усилитель с автокоррекцией (вариант 3), содержащий усилительный блок с управляемым коэффициентом усиления и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом усилительного блока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом усилителя с автокоррекцией, согласно изобретению, содержит делитель частоты, измеритель частоты и функциональный преобразователь, вход делителя частоты объединен со входом усилителя с автокоррекцией, выход делителя частоты соединен со входом измерителя частоты, выход измерителя частоты соединен со входом функционального преобразователя, выход которого соединен со входом блока управления.
Технический результат достигается также тем, что усилитель с автокоррекцией (вариант 4), содержащий усилительный блок с управляемым коэффициентом усиления и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом усилительного блока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом усилителя с автокоррекцией, согласно изобретению, содержит делитель частоты, измеритель частоты и функциональный преобразователь, вход делителя частоты объединен с выходом усилителя с автокоррекцией, выход делителя частоты соединен со входом измерителя частоты, выход измерителя частоты соединен со входом функционального преобразователя, выход которого соединен со входом блока управления.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг. 1 представлена функциональная схема первого варианта усилителя с автокоррекцией. На фиг. 2 показаны графики АЧХ, иллюстрирующие изобретение. На фиг. 3 представлена функциональная схема второго варианта усилителя с автокоррекцией, на фиг. 5 - функциональная схема третьего варианта усилителя с автокоррекцией. На фиг. 4 показана функциональная схема возможного варианта реализации блока управления.
Функциональная схема по фиг. 1 содержит измеритель 1 частоты, функциональный преобразователь 2, блок 3 управления и усилительный блок 4. Вход и выход усилительного блока 4 являются соответственно входом и выходом усилителя с автокоррекцией, выход блока 3 соединен с управляющим входом усилительного блока 4, вход измерителя 1 частоты объединен со входом усилителя с автокоррекцией, выход измерителя 1 частоты соединен со входом функционального преобразователя 2, выход которого соединен со входом блока 3 управления.
1
1
2
2
3
3
4
4
1
4
2
3
На фиг. 2, в качестве примера, в верхней части приведен график АЧХ реального входного усилителя, в нижней части - график обратной АЧХ данного усилителя. Графики показаны в виде зависимости коэффициента усиления K от частоты ƒ входного сигнала. На верхнем графике выделены точки (k, ƒ), (k, ƒ), (k, ƒ), (k, ƒ), служащие для обозначения и границ диапазона рабочих частот (точки ƒ, ƒ) и области равномерного усиления (точки ƒ, ƒ).
Функциональная схема по фиг. 3 содержит измеритель 5 частоты, функциональный преобразователь 6, блок 7 управления и усилительный блок 8. Вход и выход усилительного блока 8 являются соответственно входом и выходом усилителя с автокоррекцией, выход блока 7 соединен с управляющим входом усилительного блока 8, вход измерителя 1 частоты соединен с выходом усилителя с автокоррекцией, выход измерителя 5 частоты соединен со входом функционального преобразователя 6, выход которого соединен со входом блока 7 управления.
0
Функциональная схема по фиг. 4 содержит буферный регистр 9, сумматор 10 и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 11, выход которого является выходом блока управления, входом которого является информационный вход регистра 9, выход которого соединен с первым входом сумматора 10, второй вход которого является входом кода опорного напряжения U, выход сумматора 10 соединен со входом ЦАП 11, тактовый вход регистра 9 является тактовым входом CLK(цепи тактирования на схеме не показаны).
Функциональная схема по фиг. 5 содержит делитель 12 частоты, измеритель 13 частоты, функциональный преобразователь 14, блок 15 управления и усилительный блок 16. Вход и выход усилительного блока 16 являются соответственно входом и выходом усилителя с автокоррекцией, выход блока 15 соединен с управляющим входом усилительного блока 16, вход делителя 12 частоты объединен со входом усилителя с автокоррекцией, выход делителя 12 частоты соединен со входом измерителя 13 частоты, выход которого соединен со входом функционального преобразователя 14, выход которого соединен со входом блока 15 управления.
Идея, лежащая в основе рассматриваемого способа усиления сигналов, заключается в непрерывном контроле частоты ƒ входного усиливаемого сигнала и коррекции, по результатам измерения частоты ƒ, коэффициента усиления усилительного блока таким образом, чтобы коэффициент усиления оставался постоянным при изменении частоты входного синусоидального или квазисинусоидального сигнала. Это возможно при известной форме АЧХ, то есть если в каком либо виде априори задана функция K(ƒ). При этом, если по измеренной частоте ƒ* определить величину обратную функции K(ƒ), и изменить частотно-зависимую величину K(ƒ) в 1/K(ƒ*) раз, то несложно видеть, что напряжение на выходе усилительного блока может оставаться постоянным вне зависимости от частоты ƒ:
вых
вx
где U, U - амплитуды сигналов соответственно на выходе и входе усилительного блока. В приведенном выражении знак * в обозначении частоты ƒ указывает на оценку частоты, полученную аппаратным путем.
упр
упр
1
2
3
4
k1
k4
Поясним вышеизложенное на примере одного из возможных вариантов реализации способа (см. фиг. 1). Входной сигнал вида u(t)=Usin2πƒt поступает на вход усилительного блока 4, обладающего возможностью изменять коэффициент усиления под действием напряжения U, подаваемого на его управляющий вход. Одновременно входной сигнал подается на вход измерителя 1 частоты, с выхода которого снимается код измеренной частоты ƒ*, который в функциональном преобразователе 2 преобразуется в величину обратную АЧХ в точке ƒ*, то есть в нем реализуется функция вида 1/K(ƒ*). Цифровой код, представляющий собой результат вычисления вышеуказанной функции (обратной АЧХ) поступает далее в блок 3 управления, в котором происходит перевод величины 1/K(ƒ*) в сигналы управления усилительным блоком 4 - в напряжение U, пропорциональное величине 1/K(ƒ*). В качестве примера реальной АЧХ на фиг. 2 показана экспериментально полученная характеристика усилительного блока, рассчитанного на работу в диапазоне частот от 1 до 200 МГц. Из общего вида АЧХ следует, что коррекция АЧХ - изменение коэффициента усиления блока 4 - потребуется на начальном участке от ƒ до ƒ и на участке от ƒ до верхней границы диапазона ƒ. Для наглядности в нижней фиг. 2 приведен график обратной АЧХ 1/K(ƒ), где видно как следует изменять коэффициент усиления блока 4: в частности, на границах диапазона, нижней и верхней, коэффициент усиления должен быть увеличен соответственно в 1/ и 1/ раз. В средней части рабочего диапазона коэффициент усиления не меняется, поскольку АЧХ в этой области имеет вид горизонтальной прямой (здесь необходимо уточнить, что для упрощения изложения материала на фиг. 2 приведен график АЧХ усилителя-повторителя напряжения).
Таким образом, осуществляется автоматическая коррекция коэффициента усиления, направленная на получение равномерного усиления в заданном диапазоне частот.
Причем на точность коррекции коэффициента усиления влияет погрешность Δƒ определения частоты ƒ, так как в идеальном случае должно соблюдаться условие
или
вых
которое на практике выполнить с математической точностью невозможно, поскольку невозможно свести к нулю погрешность Δƒ. В этой связи целесообразно оценить последствия ошибки коррекции коэффициента усиления, полагая, что основной вклад в ее формирование вносит погрешность определения частоты усиливаемого сигнала. Для этого представим абсолютную погрешность усиления амплитуды выходного напряжения U после автокоррекции в виде:
Несложно понять, что при фиксированном значении Δƒ отношение  будет тем ближе к единице, чем меньше производная Ф(K) функции K(ƒ) в окрестности ƒ. Полагая, что указанная производная на участке Δƒ не меняется можно записать
следовательно,
вых
Последнее выражение связывает ΔU не только с погрешностью определения частоты Δƒ, но и со скоростью изменения АЧХ на выбранном участке, что позволяет оценивать возможные погрешности на различных участках АЧХ, причем исходя из общего правила, согласно которому чем меньше Ф(K), тем меньшее влияние оказывает погрешность Δƒ на точность автокоррекции.
Возвращаясь к схеме устройства, показанной на фиг. 1, отметим, что в случае необходимости, например, для снижения влияния на вход устройства внутренних блоков или для подачи на вход измерителя частоты усиленных сигналов, измеритель частоты может подключаться непосредственно к выходу управляемого усилительного блока. Подобный вариант приведен на функциональной схеме по фиг. 3, здесь блоки 5-8 выполняют те же функции, что и блоки 1-4 в устройстве по фиг. 1.
На практике возможны ситуации, при которых ограниченный диапазон рабочих частот измерителя частоты не позволяет измерять с необходимой погрешностью частоты, находящиеся в полосе рабочих частот управляемого усилительного блока устройства. В подобных случаях, для устранения подобного ограничения, схема может быть дополнена высокочастотным делителем частоты с коэффициентом деления n (n≥2), например, делителем 12 частоты (прескалером), как показано на фиг. 5. В представленном устройстве на вход измерителя 13 подается сигнал, частота которого уменьшена в n раз, при этом результат измерения частоты в измерителе 13 следует увеличить в такое же число раз, что необходимо для корректного выполнения дальнейших операций по управлению усилительным блоком 16. В остальном работа усилителя с автокоррекцией, показанного на схеме по фиг. 5, не отличается от ранее представленных усилителей. В вариантном исполнении вход делителя частоты может быть соединен с выходом управляемого усилительного блока, при этом принцип действия устройства, в части автокоррекции, коэффициента усиления, не меняется (схема подобного варианта, по причине ее очевидности, не приводится).
Касаясь вопросов построения отдельных блоков, входящих в состав рассматриваемых усилителей с автокоррекцией, отметим следующее.
i
i
i
i+1
0
yпр
0
Функциональный преобразователь 2 (6, 14) служащий для вычисления функции вида  может быть построен на основе программируемого постоянного запоминающего устройства, реализующего аппаратно-табличный способ вычислений. В этом случае в память запоминающего устройства заносят ранее вычисленные значения  которые извлекаются из памяти при поступлении на адресный вход соответствующих операндов ƒ. Здесь индекс i указывает на дискретный характер частоты. Разумеется, количество значений ƒ выбирают не только исходя из диапазона рабочих частот, но и из требований, предъявляемых к точности автокоррекции (разность ƒ - ƒ должна быть меньше допустимой погрешности Δƒ). Что же касается блока 3 (7, 15), сопрягаемого с функциональным преобразователем, то его схемотехника определяется как особенностями функционального преобразователя, так и управляемой частью усилительного блока 4 (8, 16). Один из возможных вариантов реализации блока 3 управления, в предположении, что управление усилительным блоком осуществляется в аналоговой форме, показан на схеме по фиг. 4. В настоящей схеме входные данные, представляющие собой цифровые коды величин  поступают через буферный регистр 9 на первый вход сумматора 10, в котором складываются с фиксированным значением U и далее преобразуются в ЦАП 11 в напряжение U, непосредственно подаваемое на управляющий вход усилительного блока 4 (8, 16). Регистр 9 необходим для хранения цифрового кода и обеспечивает независимость блока управления от времени нахождения результата измерения частоты на его выходе. Обновление данных в регистре 9 происходит под действием тактовых импульсов CLK, период следования которых определяется требуемым быстродействием цепей автокоррекции, а именно возможной (допустимой условиями применения) скоростью изменения частоты усиливаемых сигналов. Добавление постоянной величины U, которая в частном случае может принимать значение, равное нулю, может быть необходимо для управления усилительным блоком, в котором требуется задание некоторой начальной точки, отличной от нуля. Для изменения коэффициента пропорциональности между входной величиной блока управления и выходной, в простейшем случае может использоваться известный прием управления опорным напряжением ЦАП 11, которое формируется стабилизированным источником (на схеме по фиг. 4 цепи опорного напряжения не показаны).
Сравнивая рассмотренные в настоящей работе технические решения с известными в этой области устройствами, прежде всего, необходимо указать на то, что представленные усилители с автокоррекцией могут обеспечить достаточно равномерное усиление сигналов в весьма широкой полосе частот, при условии, что усиливаемые сигналы имеют узкий спектр с выраженным центром. Из описания способа усиления сигналов и принципа действия усилителей видно, что коррекция происходит в конкретной узкой полосе частот для сигнала находящегося в данной частотной зоне, и при отсутствии сигнала также отсутствует. То есть коррекция носит динамический характер, и при отсутствии входного сигнала, усилительный блок сохраняет исходную неравномерную АЧХ, свойственную ему без внешнего управления.