СИНТЕЗАТОР ГАРМОНИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к электронике, в частности к электронным устройствам, позволяющим формировать гармонические электрические колебания на выходе, синхронные входным электрическим колебаниям с формой в виде меандра опорной частоты, и может быть использована для создания следящих систем.
Известно устройство [1] генерации гармонических электрических колебаний (ГЭК) с автоподстройкой несущей частоты радиоимпульсов, содержащее последовательно соединенные генератор, управляемый напряжением (ГУН), первый счетчик, элемент сравнения кодов и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к входу управления управляемого генератора, а также второй счетчик, вход которого является входом устройства, последовательно соединенные импульсно-фазовый детектор, аналогоцифровой преобразователь, регистр памяти и вычитатель, представляющий собой быстродействующий и точный канал подстройки частоты, выходом которого является код коррекции, поступающий на вход младших разрядов цифроаналогового преобразователя, тем самым осуществляя точное управление частотой ГУН.
Путем выборки мгновенных значений входного сигнала в начале и его конце определяется дробная часть периода (в виде разности фаз) несущей частоты входного сигнала, укладываемого в измерительный промежуток времени, которая добавляется к целой части этих периодов. Тем самым создается точный управляющий сигнал управляемого генератора.
Указанное устройство позволяет осуществлять генерацию ГЭК в области радиочастот (а также СВЧ колебаний электромагнитных волн).
Для генерации ГЭК в области низких частот лучше подходит прямой цифровой синтезатор частот ГЭК DDS [2] (Direct Digital Syntesizers), являющийся наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и выбранный в качестве прототипа.
Указанный синтезатор ГЭК (СГЭК) [2] содержит цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и электрически соединенный с ним фильтр низкой частоты (ФНЧ), аккумулятор фазы (АФ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) значений функции синуса, генератор тактовой частоты (ГТ), выход которого электрически соединен с первым входом ЦАП и с первым входом АФ, второй вход которого предназначен для подачи на него кода частоты, выход АФ электрически соединен со входом ПЗУ, выход которого электрически соединен с вторым входом ЦАП.
Сигнал с ГТ поступает на первый вход АФ, частота сигнала делится при помощи делителя с переменным коэффициентом деления (устанавливаемым при подаче на второй вход АФ кода частоты), в АФ формируется код фазы выходного сигнала, указанный код (является аргументом функции синуса) подается на ПЗУ, а выходной код ПЗУ, равный значению функции для данного аргумента, поступает на ЦАП, который формирует на выходе синусоидальный сигнал, подвергающийся фильтрации в ФНЧ и поступающий на выход.
Указанный СГЭК не позволяет формировать гармонические электрические колебания, синхронные электрическим колебаниям с формой в виде меандра опорной частоты.
Задачей полезной модели является создание устройства, формирующего ГЭК, частота и фаза которых совпадает с частотой и фазой электрических колебаний с формой в виде меандра опорной частоты.
Сущность полезной модели заключается в том, что синтезатор гармонических электрических колебаний, содержащий первый цифроаналоговый преобразователь, выход которого электрически соединен с входом фильтра низкой частоты, генератор тактовой частоты, выход которого электрически соединен с первым входом первого цифроаналогового преобразователя, в отличие от прототипа дополнительно содержит микропроцессор, второй цифроаналоговый преобразователь, в качестве генератора тактовой частоты использован генератор управляемый напряжением, выход которого электрически соединен с первым входом микропроцессора, первый выход микропроцессора электрически соединен с вторым входом первого цифроаналогового преобразователя, второй выход микропроцессора электрически соединен с входом второго цифроаналогового преобразователя, выход которого электрически соединен с первым входом генератора управляемого напряжением, при этом второй вход микропроцессора, второй вход генератора управляемого напряжением и третий вход первого цифроаналогового преобразователя предназначены для подачи на них электрических колебаний с формой в виде меандра опорной частоты.
Выполнение СГЭК, дополнительно содержащим микропроцессор и второй цифроаналоговый преобразователь, использование в качестве генератора тактовой частоты генератора управляемого напряжением, выход которого электрически соединен с первым входом микропроцессора, электрическое соединение первого выхода микропроцессора с вторым входом первого цифроаналогового преобразователя, второго выхода микропроцессора с входом второго цифроаналогового преобразователя, выход которого электрически соединен с первым входом генератора управляемого напряжением, назначение второго входа микропроцессора, второго входа генератора управляемого напряжением и третьего входа первого цифроаналогового преобразователя для подачи на них электрических колебаний с формой в виде меандра опорной частоты, позволяет формировать ГЭК, синхронные электрическим колебаниям с формой в виде меандра опорной частоты.
Полезная модель поясняется чертежом.
На фигуре представлена функциональная электрическая схема СГЭК.
СГЭК содержит первый ЦАП 1, выход которого электрически соединен с входом ФНЧ 2, ГТ, в качестве которого использован ГУН 3, микропроцессор (МП) 4, второй ЦАП 5.
При этом выход ГУН 3 электрически соединен с первым входом первого ЦАП 1 и с первым входом МП 4. Первый выход МП 4 электрически соединен с вторым входом первого ЦАП 1, второй выход МП 4 электрически соединен с входом второго ЦАП 5, выход которого электрически соединен с первым входом ГУН 3. Вторые входы МП 4 и ГУН 3 и третий вход первого ЦАП 1 предназначены для подачи на них электрических колебаний с формой в виде меандра опорной частоты.
Первый ЦАП 1 выполнен на микросхеме AD5433YRUZ с буферным операционным усилителем AD822BRZ, в качестве ФНЧ 2 использована емкость В 3790к5100J60, включенная в цепь обратной связи указанного операционного усилителя совместно с внутренним резистором обратной связи ЦАП1.
ГУН 3 собран на управляемом напряжением генераторе тока с токовым зеркалом (элементы: операционный усилитель TS 951 iLT, транзистор В SS83, токовое зеркало BCV62V), времязадающей емкости К10-176-М47-1000пФ±1%, компараторе TLV3502AIDG4, одновибраторе (логические микросхемы 1554 ТР2 и 1554 ТЛ2, резистор Р1-12-0,25-150 Ом±5%-М-А, конденсатор К10-176-М1500-100пФ±10%) и микросхеме опорного напряжения LM 4040 BIM3-2.5/NORB.
МП 4 выполнен на микросхеме ATMEGA8-16AU, выполняющей функции регистра фазы аргумента функции SIN, ПЗУ значений функции SIN, дискриминатора фазы и блока управления. Второй ЦАП 5 выполнен на микросхеме AD5290YRMZ10.
СГЭК работает следующим образом.
При подаче питания на СГЭК выходное значение напряжения второго ЦАП 5 равно среднему значению напряжения, при этом ГУН 3 вырабатывает тактовые импульсы со средней частотой, поступающие на первый вход МП 4 и на первый вход первого ЦАП 1. При этом в регистре фазы МП 4 формируются коды фазы выходного сигнала, являющиеся аргументом функции SIN, которые подаются на ПЗУ МП 4, а выходные коды ПЗУ, равные значению функции SIN для данного аргумента, поступают на ЦАП 1, который формирует на выходе синусоидальный сигнал, подвергающийся фильтрации в ФНЧ 2 и поступающий на выход СГЭК.
При поступлении каждого фронта (нарастающего или спадающего) электрических колебаний с формой в виде меандра опорной частоты на вторые входы МП 4 и ГУН 3 и на третий вход первого ЦАП 1 производятся следующие операции:
- ГУН 3 устанавливается в начальное состояние, вырабатывает первый импульс и вырабатывает тактовые импульсы, поступающие на первый вход МП 4 и на первый вход первого ЦАП 1;
- МП 4 производит:
- анализ состояния регистра фазы, и в зависимости от его состояния по интерфейсу SPI корректирует состояние второго ЦАП 5;
- сброс регистра фазы в нулевое состояние;
- первый ЦАП 1 изменяет полярность выходного сигнала.
При этом первый импульс записи в регистр ЦАП 1 поступает с ГУН 3 через небольшой интервал после прихода фронта электрических колебаний с формой в виде меандра опорной частоты и производит запись нулевого значения в ЦАП 1.
В промежутке между фронтами электрических колебаний с формой в виде меандра опорной частоты по каждому тактовому импульсу, поступающему на первый вход МП 4 с ГУН 3, в регистре фазы МП 4 формируются коды фазы выходного сигнала. Выходной код регистра фазы МП 4 определяет адрес ячейки ПЗУ МП 4 с прошивкой значения функции SIN, которое транслируется МП 4 на выходную шину и по ней на вход первого ЦАП 1, который формирует на выходе синусоидальный сигнал, подвергающийся фильтрации в ФНЧ 2 и поступающий на выход СГЭК. Дальнейшее обновление состояний регистра фазы МП 4, а также состояния первого ЦАП 1 производится при поступлении каждого импульса с ГУН 3.
Регистр фазы МП 4 заполняется при поступлении импульсов с ГУН 3.
После заполнения регистра фазы МП 4 до максимального значения МП 4 производит по каждому импульсу ГУН 3 декрементацию значений регистра фазы МП 4.
Одновременно сигнал блока управления МП 4 через второй выход МП 4 поступает на вход второго ЦАП 5. Второй ЦАП 5 вырабатывает управляющее напряжение, поступающее на вход ГУН 3, который вырабатывает тактовые сигналы с частотой, формирующей синусоидальный сигнал заданной опорной частоты на выходе СГЭК.
Таким образом, при подаче электрических колебаний с формой в виде меандра опорной частоты на выходе СГЭК формируются ГЭК, частота и фаза которых совпадает с частотой и фазой электрических колебаний с формой в виде меандра опорной частоты.
Источники информации.
1 Патент RU №2011292. МПК H03L 7/00.
2 Журнал "Компоненты и технологии", online версия, 19.10.2000. DDS: прямой цифровой синтез частоты (www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/01_07/stat_50.htm). - Прототип.