ГЕНЕРАТОР ЗОНДИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ
GENERATOR OF SOUNDING SIGNALS

Изобретение относится к генераторным трактам акустических эхо-импульсных локаторов. Преимущественная область использования - гидроакустика, ультразвуковая дефектоскопия.
Известен генератор зондирующих сигналов, содержащий синхронизатор, импульсный генератор, генератор синусоидального сигнала и усилитель мощности (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л., Судостроение, 1986 г.).
Синхронизатор периодически вырабатывает импульсные сигналы, запускающие ждущий мультивибратор, на выходе которого формируются видеоимпульсы заданной длительности, поступающие на управляющий вход генератора синусоидального сигнала и разрешающие его работу. Радиоимпульсы с его выхода поступают на усилитель мощности, а затем на акустический преобразователь.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные невысоким коэффициентом полезного действия усилителя мощности класса В, в пределе достигающего 78% при усилении аналоговых синусоидальных сигналов (см. Цыкина А.В. Проектирование усилителей низкой частоты. - М., Связь, 1968 г.). При приеме эхо-сигналов отсутствует генерация сигнала с частотой зондирующего сигнала, необходимого, например, для определения доплеровского смещения частоты эхо-сигналов (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. - М., Пищевая промышленность, 1980 г.), а также двух опорных сигналов с частотой, равной частоте зондирующего сигнала, сдвинутых на 90° относительно друг друга, необходимых для синхронного детектирования эхо-сигналов и ряда других видов их обработки (см. Банков В.Н. и др. Радиоприемные устройства. - М., Радио и связь, 1984 г., С.42-43).
Признаки, совпадающие с заданным объектом: синхронизатор, ждущий мультивибратор, усилитель мощности.
От ряда перечисленных недостатков свободен генератор зондирующих сигналов, содержащий синхронизатор, ждущий мультивибратор, генератор синусоидального сигнала, аналоговый ключ, усилитель мощности (см. Хребтов А.А. и др. Судовые эхолоты. - Л., Судостроение, 1982, С.18).
Синхронизатор периодически вырабатывает импульсные сигналы, запускающие ждущий мультивибратор, на выходе которого формируются видеоимпульсы заданной длительности, поступающие на управляющий вход нормально закрытого аналогового ключа, на сигнальный вход которого с генератора синусоидального сигнала поступает непрерывный гармонический сигнал. Видеоимпульс открывает аналоговый ключ, гармонический сигнал проходит через него и поступает на усилитель мощности, а затем на акустический преобразователь.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные невысоким коэффициентом полезного действия усилителя мощности класса В. Радиоимпульсы, формируемые на выходе аналогового ключа, имеют произвольную начальную фазу, находящуюся в интервале 0-2π, поскольку генератор синусоидальных сигналов и синхронизатор работают независимо друг от друга, передний фронт видеоимпульса, открывающего аналоговый ключ, может совпадать с любой частью синусоидального сигнала, поэтому радиоимпульсы на выходе ключа могут начинаться с любой начальной фазы. Это приводит к тому, что подробный просмотр формы формируемого радиоимпульса затруднен без использования осциллографа с памятью в режиме просмотра однократного сигнала. После детектирования эхо-сигналов получаются видеоимпульсы с разной крутизной фронтов, что приводит к дополнительной погрешности при определении временных интервалов между началом цикла лоцирования и временем прихода эхо-импульса. При подаче зондирующего сигнала с изменяемой начальной фазой на акустический преобразователь, а также эхо-сигналов на избирательные системы резонансных усилителей происходит изменение огибающей и фазовой структуры получаемых акустических сигналов и усиленных эхо-сигналов (см. Золотарев И.Д. Нестационарные процессы в резонансных усилителях фазово-импульсных измерительных систем. - Новосибирск, Наука, 1969, 176 с.), что также приводит к дополнительным погрешностям при определении амплитуды и времени прихода эхо-сигналов. Кроме того, между зондирующими сигналами отсутствуют опорные сигналы с фазой, сдвинутой на 90° относительно друг друга, что не позволяет обрабатывать эхо-сигналы, используя оптимальные алгоритмы обработки для радиоимпульсов с произвольной начальной фазой, например синхронное детектирование.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: синхронизатор, ждущий мультивибратор и усилитель мощности.
Известен генератор зондирующих сигналов (пат. РФ №2362184, МПК G01S 13/32, опубл. 20.07.2009 г.), содержащий синхронизатор, соединенный через ждущий мультивибратор с D-входом D-триггера и генератор синусоидальных сигналов, соединенный через компаратор с входом управления D-триггера и с сигнальным входом аналогового ключа, вход управления которого соединен с выходом D-триггера, а выход - с входом усилителя мощности.
Синхронизатор генерирует периодически повторяющиеся импульсные сигналы, поступающие на вход ждущего мультивибратора, на выходе которого вырабатывается видеоимпульс, определяющий длительность формируемого зондирующего сигнала, поступающий на D-вход D-триггера. Генератор синусоидальных колебаний вырабатывает непрерывный гармонический сигнал, поступающий на сигнальный вход нормально закрытого аналогового ключа и на компаратор, на выходе которого получается последовательность видеоимпульсов, соответствующая какой-либо части гармонического сигнала (например, его полуволне положительной полярности), передающаяся затем на вход управления D-триггера. На выходе D-триггера формируются видеоимпульсы, начало и конец которых будут соответствовать передним фронтам видеоимпульсов, формируемых в компараторе. Эти видеоимпульсы поступают на управляющий вход нормально закрытого аналогового ключа, открывают его и на выходе ключа формируются радиоимпульсы, которые передаются на вход усилителя мощности. Гармонический сигнал в радиоимпульсах будет начинаться и заканчиваться всегда с одной и той же фазы, то есть будут формироваться зондирующие сигналы с постоянной начальной и конечной фазой.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные тем, что в приемный тракт локатора с генератора зондирующих сигналов подают опорный сигнал только с одной фазой, что является недостаточным для синхронного детектирования эхо-сигналов, имеющих случайную начальную фазу. Для выполнения синхронного детектирования необходимо использовать два опорных сигнала, сдвинутых по фазе на 90° (см. Зюко А.Г. и др. Теория передачи сигналов. - М., Радио и связь, 1986. С.189; Яковлев А.Н., Каблов Г.П. Гидролокаторы ближнего действия. - Л., Судостроение, 1983, С.99; Банков В.Н. и др. Радиоприемные устройства. - М., Радио и связь, 1984, С.42-43).
Следует отметить также невысокий коэффициент полезного действия усилителя мощности, работающего в классе В.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: синхронизатор, ждущий мультивибратор, D-триггер и усилитель мощности.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является взятый за прототип генератор зондирующих сигналов (пат. РФ №97535, МПК G01N 29/04, опубл. 10.09.2010 г.), содержащий синхронизатор, соединенный через ждущий мультивибратор с D-входом D-триггера, генератор синусоидальных сигналов, соединенный через компаратор с входами управления второго и третьего D-триггеров, выход второго D-триггера соединен с D-входом третьего D-триггера, с управляющим входом D-триггера и с одним из входов первого логического элемента 2И, один из входов второго логического элемента 2И соединен с инверсным выходом второго D-триггера, а вторые входы логических элементов соединены с выходом D-триггера; инверсный выход третьего D-триггера соединен с D-входом второго D-триггера, а выходы логических элементов 2И соединены с входами усилителя мощности.
0
0
0
0
Синхронизатор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, поступающие на вход ждущего мультивибратора, на выходе которого вырабатывается видеоимпульс, определяющий длительность формируемого зондирующего сигнала. Этот видеоимпульс поступает на D-вход D-триггера. Генератор синусоидальных колебаний вырабатывает непрерывный гармонический сигнал с частотой 4f, поступающий на вход компаратора 5, на выходе которого получают видеоимпульсы с такой же частотой, поступающие затем на входы управления второго и третьего D-триггеров. С выхода второго D-триггера сигнал с частотой f поступает на D-вход третьего D-триггера, на управляющий вход D-триггера, а также на один из входов первого логического элемента 2И. С инверсного выхода третьего D-триггера импульсный сигнал поступает на D-вход второго D-триггера. На выходах второго и третьего D-триггеров формируются сигналы, имеющие частоту f и фазу соответственно 0, 180, 90 и 270 градусов. Эти сигналы поступают в приемный тракт локатора и используются для синхронного детектирования или других видов обработки эхо-сигналов. Напряжение с инверсного выхода второго D-триггера поступает на один из входов второго логического элемента 2И, на вторые входы логических элементов 2И подается напряжение, снимаемое с выхода D-триггера и представляющее собой видеоимпульс, начало и конец которого будет привязаны к сигналу с частотой f. На выходах логических элементов формируются пачки противофазных импульсных сигналов, поступающие на входы усилителя мощности, работающего в классе D, а с его выхода зондирующий сигнал с постоянной начальной фазой подается на акустический преобразователь.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются недостаточная надежность, обусловленная тем, что на входы усилителя мощности подаются противофазные видеоимпульсы, следующие друг за другом без временных интервалов. Это приводит к появлению сквозных токов в активных элементах усилителей мощности, соизмеримых с предельно допустимыми или превышающих их значения, что влечет за собой выход из строя активных элементов усилителя мощности. Для предотвращения подобных явлений зачастую на входах усилителей мощности устанавливают дополнительные блоки, укорачивающие входные видеоимпульсы, выполняющие, так называемую, раздвижку импульсов (см. Павлов В.П., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. - М., Радио и связь. 1997. 320 с.). Однако применение таких блоков приводит к усложнению конструкцию усилителей мощности и уменьшению длительности импульсных сигналов на постоянную величину, что влечет за собой изменение скважности импульсов и, как следствие, спектра зондирующего сигнала (см. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. 376 с.).
и
и
г
n
1
На фиг.1 показаны уровни семи гармоник зондирующего сигнала в зависимости от величины γ=2t/Т, где Т - период высокочастотного заполнения зондирующего сигнала, t - длительность разнополярных импульсов. График К показывает коэффициент гармоник, определяемый как отношение действующего значения высших гармоник сигнала U к действующему значению первой (основной) его гармоники U, то есть
г
Как видно из графика, минимальное значение коэффициента гармоник К=29% соответствует значению γ=0,74. Поэтому для получения зондирующего сигнала с наименьшими искажениями желательно подавать на акустический преобразователь зондирующий сигнал с постоянной величиной γ, примерно равной 0,74, что не реализуется в известных устройствах.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: синхронизатор, ждущий мультивибратор, D-триггер, два логических элемента 2И и усилитель мощности.
Основной задачей предлагаемого устройства является создание генератора, позволяющего с высокой надежностью генерировать зондирующие сигналы, при этом позволяющего расширить эксплуатационные возможности эхолокационной системы, использующей заявляемый генератор зондирующих сигналов.
Технический результат достигается тем, что в генератор зондирующих сигналов, содержащий синхронизатор и импульсный генератор, соединенный с D-входом D-триггера, выход которого подключен к одному из входов ключа, выходом подключенного к одному из входов усилителя мощности, дополнительно введены преобразователь кодов, генератор видеоимпульсов и генератор кодов, соединенный с преобразователем кодов, выходы которого соединены с входами генератора видеоимпульсов и С-входом D-триггера, а выходы генератора видеоимпульсов соединены с другими входами ключа.
Рационально в генераторе зондирующих сигналов ключ выполнить преимущественно в виде двух логических элементов 2И, первые входы которых соединены с выходом D-триггера, а выходы подключены к входам усилителя мощности.
Рекомендуется в генераторе зондирующих сигналов генератор кодов выполнить преимущественно в виде генератора импульсов и счетчика, при этом генератор импульсов соединен с входом счетчика, выходы которого соединены с входами преобразователя кодов.
Оптимально в генераторе зондирующих сигналов преобразователь кодов выполнить преимущественно в виде дешифратора, входы которого соединены с выходами генератора кодов, а выходы подключены к входам генератора видеоимпульсов.
Рационально в генераторе зондирующих сигналов генератор видеоимпульсов выполнить преимущественно в виде четырех логических элементов ИЛИ, причем первый-четвертый выходы преобразователя кодов соединены с входами первого четырехвходового логического элемента ИЛИ, третий-шестой - с входами второго четырехвходового логического элемента ИЛИ, первый-третий - с входами третьего трехвходового логического элемента ИЛИ, пятый-седьмой - с входами четвертого трехвходового логического элемента ИЛИ, первый выход соединен также с управляющим входом D-триггера; выход третьего логического элемента ИЛИ соединен с одним из входов ключа, а выход четвертого логического элемента ИЛИ соединен со вторым входом ключа.
Оптимально в генераторе зондирующих сигналов в качестве усилителя мощности применить усилитель мощности класса D.
Повышение надежности зондирующего генератора достигается путем исключения возможности возникновения сквозных токов в активных элементах усилителя мощности за счет введения временной раздвижки между противофазными управляющими сигналами, сформированной генератором кодов, преобразователем кодов и генератором видеоимпульсов.
Расширение эксплуатационных возможностей эхолокационной системы, использующей заявляемый генератор зондирующих сигналов, достигается наличием двух сдвинутых по фазе на 90° опорных сигналов с частотой, равной частоте зондирующего сигнала, сформированных генератором кодов, преобразователем кодов и генератором видеоимпульсов.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 приведен график уровней гармоник с первой по седьмую в зависимости от величины γ;
на фиг.2 показана функциональная схема устройства;
на фиг.3 изображены эпюры напряжений в его различных точках.
Генератор зондирующих сигналов (фиг.2) содержит синхронизатор 1, соединенный через импульсный генератор 2 с D-входом D-триггера 3, выход которого подключен к первому входу ключа 4, соединенного с входом усилителя мощности 5. Генератор кодов 6 соединен линиями с преобразователем кодов 7, выходные линии которого подключены к С-входу D-триггера 3 и генератору видеоимпульсов 8, выходы которого соединены с входами ключа 4. Синхронизатор 1 представляет собой генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы, запускающих импульсный генератор 2, в одном из вариантов реализации выполненный в виде ждущего мультивибратора. Ключ 4, управляющий активными элементами усилителя мощности 5, выполнен в виде двух логических элементов 4 и 5, первые входы которых соединены с выходом D-триггера 3, а вторые входы - с первыми двумя выходами генератора видеоимпульсов 8. Генератор кодов 6 выполнен в виде генератора импульсов 11, соединенного со счетным входом счетчика 12, выходы которого соединены с входами преобразователя кодов 7, представляющего собой дешифратор, выходные линии которого соединены с входами генератора видеоимпульсов 8, состоящего из двух трехвходовых 13, 14 и двух четырехвходовых 15, 16 логических элементов ИЛИ. Первый-четвертый выходы дешифратора соединены с входами первого четырехвходового логического элемента ИЛИ 15, третий-шестой - с входами второго четырехвходового логического элемента ИЛИ 16, первый-третий - с входами третьего трехвходового логического элемента ИЛИ 13, пятый-седьмой - с входами четвертого трехвходового логического элемента ИЛИ 14, первый выход соединен также с управляющим входом D-триггера 3. Выход третьего логического элемента ИЛИ 13 соединен с вторым входом первого логического элемента И 9, а выход четвертого логического элемента ИЛИ 14 соединен с вторым входом второго логического элемента И 10.
Работает генератор зондирующих сигналов следующим образом.
Синхронизатор 1 вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы U1 (фиг.3), поступающие на вход ждущего мультивибратора 2, на выходе которого вырабатывается видеоимпульс U2, определяющий длительность формируемого зондирующего сигнала. Этот видеоимпульс поступает на D-вход D-триггера 3. Генератор импульсов 11 вырабатывает импульсы U3 с частотой, в восемь раз большей, чем частота высокочастотного заполнения зондирующего сигнала, которые поступают на счетный вход счетчика 12. С выходов счетчика 12 цифровое слово U4 подается на входы дешифратора 7, на выходах которого формируются сигналы U5, соответствующие значению дешифрируемого цифрового слова и имеющие высокий активный уровень. Дальнейшая работа рассматривается для случая использования трехразрядного двоичного счетчика 12. В этом случае дешифратор 7 имеет восемь выходов. Сигналы U5, снимаемые с первого по четвертый выходы дешифратора, поступают на входы первого четырехвходового логического элемента ИЛИ 15, а сигналы U5, снимаемые с третьего по шестой выхода дешифратора, поступают на входы второго четырехвходового логического элемента ИЛИ 16. В элементах ИЛИ 15, 16 выполняется суммирование поступающих сигналов U5 и на выходах элементов формируются сигналы U6 и U7, сдвинутые по фазе на 90° с частотой, равной частоте зондирующего сигнала. Эти сигналы поступают затем в приемный тракт локатора и используются для синхронного детектирования и других видов обработки эхо-сигналов.
Сигналы U5, снимаемые с первого-третьего выходов дешифратора, поступают на входы третьего трехвходового логического элемента ИЛИ 13, а с пятого-седьмого - на входы четвертого трехвходового логического элемента ИЛИ 14. С выхода третьего логического элемента ИЛИ 13 сигнал U8 подается на второй вход первого логического элемента И 9, а с выхода четвертого логического элемента ИЛИ 14 сигнал U9 подается на второй вход второго логического элемента И 10. Сигналы U8 и U9 представляют собой последовательность видеоимпульсов с длительностями примерно 0,375 периода зондирующего сигнала и с паузами между ними примерно 0,125 периода.
С первого выхода дешифратора 7 сигнал U5 подается также на управляющий вход D-триггера и своим передним фронтом записывает в триггер логическую единицу при подаче на D-вход триггера видеоимпульса U2. Таким образом, начало и конец видеоимпульса U10, формируемого на выходе D-триггера 3, будут соответствовать одной и той же фазе зондирующего сигнала. Этот видеоимпульс U10 поступает на вторые входы логических элементов И 9 и 10 и разрешает прохождение через эти элементы сигналов U8 и U9. На выходах логических элементов 9 и 10 формируются пачки противофазных импульсных сигналов U11 и U12 с паузами между ними. Эти сигналы поступают на входы усилителя мощности 5 и поочередно открывают его активные элементы, в результате чего формируется зондирующий сигнал U13 с постоянной начальной фазой, который подается на акустический преобразователь (на чертежах не показан). Усилитель мощности 5 работает в режиме D с малыми электрическими потерями на активных элементах усилителя. Раздвижка между усиливаемыми сигналами U11, U12 предотвращает появление сквозных токов в активных элементах усилителя, а величина раздвижки соответствует минимальному значению высших гармонических составляющих сигнала. Сигнал в радиоимпульсах U13 будет начинаться и заканчиваться всегда с одной и той же фазы, что обеспечивает формирование зондирующих сигналов с постоянной начальной и конечной фазой. Сигнал U10 будет соответствовать началу и концу зондирующего сигнала U13 и используется затем в качестве импульса синхронизации, осуществляющего временную привязку рабочих циклов всех блоков эхо-импульсного локатора. Параметры зондирующего сигнала в данном генераторе легко регулируются. Период повторения будет равен периоду синхроимпульсов U3, длительность определяется длительностью видеоимпульса U2, а частота заполнения - частотой сигнала U3.
Таким образом, в предлагаемом устройстве в результате введения новых блоков и связей обеспечено повышение надежности зондирующего генератора путем исключения возможности возникновения сквозных токов в активных элементах усилителя мощности за счет введения временной раздвижки между противофазными управляющими сигналами и в значительной мере расширены эксплуатационные возможности эхолокационной системы, использующей заявляемый генератор зондирующих сигналов с двумя сдвинутыми по фазе на 90° опорными сигналами с частотой зондирующего сигнала.
Реализация предложенного генератора зондирующих сигналов не представляет сложностей. Например, синхронизатор 1 может быть выполнен на элементах микросхемы К561ЛН2, ждущий мультивибратор 2 и D-триггер 3 - на микросхеме К561ТМ2, счетчик 12 и дешифратор 7 - на микросхеме К561ИЕ9, цифровые элементы ИЛИ 13, 14, 15, 16 и элементы И 9, 10 - на микросхемах К1533ЛЛ1 и К1533ЛИ1. Усилитель мощности 5 может быть выполнен, например, по схемам, достаточно полно описанным в работах (Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. - М., Радио и связь. 1997. 320 с., Кибакин В.М. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей мощности. - М., Энергия. 1969. 280 с.). Сигналы U1 и U3 могут вырабатываться отдельными генераторами или, например, микропроцессорной системой. Испытания локаторов, использующих предложенный генератор зондирующих сигналов, показали их преимущество по сравнению с имеющимися реализациями.
Предлагаемое изобретение позволяет создать генератор зондирующих сигналов, обладающий высокой надежностью и расширенными эксплуатационными возможностями.