Способ формирования периодических двуполярных колебаний с заданным фазовым сдвигом и устройство для его реализации
METHOD FOR FORMING PERIODIC BIPOLAR OSCILLATIONS WITH ASSIGNED PHASE SHIFT AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области радио- и измерительной техники и может быть использовано для формирования периодических колебаний с заданным фазовым сдвигом. Оно может найти применение при построении устройств с квадратурной модуляцией (демодуляцией), устройств с фазовым подавлением помех, генерации парных импульсов с регулируемым фазовым сдвигом, в фазометрах, калибраторах фазы, при обработке фазомодулированных сигналов и т.д.
Для формирования фазового сдвига периодических колебаний часто используют фазовые четырехполюсники. Недостатком их применения является пониженная функциональность такого звена, проявляющаяся в том, что требуемая точность фазового сдвига обеспечивается в ограниченном диапазоне частот [1]. Кроме того, использование фазовых четырехполюсников для реализации фазового сдвига несинусоидальных колебаний приводит к искажению формы колебания.
В измерительной технике для формирования фазового сдвига в генераторах-калибраторах фазы широко используются системы фазовой синхронизации [2], в которые введены дополнительные блоки регулирования фазы. В качестве блоков регулирования фазы применяют устройства запрета-добавления импульсов, подаваемых от подстраиваемого генератора через делитель частоты (ДЧ) на один из входов фазового детектора, на второй вход которого поступают импульсы опорного колебания, также проходящие через делитель частоты. За счет изменения числа импульсов, поступающих на счетчик-делитель ДЧ1 от подстраиваемого генератора, при неизменном числе импульсов, поступающих на счетчик-делитель ДЧ2 от опорного генератора, происходит сдвиг фазы колебания, формируемого в старшем разряде счетчика ДЧ1, относительно колебания, формируемого в старшем разряде счетчика ДЧ2.
Известны схемы фазового сдвига [3] на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), в которой код счетчиков-делителей, установленных на выходах генераторов опорного и подстраиваемого колебаний, сравнивается посредством цифровых компараторов с кодами, подаваемыми на вторые входы компараторов, установленных на стороне опорного и подстраиваемого генераторов. В соответствии с установленными кодами на выходах компараторов формируются импульсы в моменты, когда счетчики досчитывают до соответствующего кода. Результатом этого является фазовое рассогласование (фазовый сдвиг) импульсных процессов, формируемых компараторами на стороне подстраиваемого и опорного генераторов.
Недостатком рассмотренных способов формирования фазового сдвига является наличие дискретности в установке разности фаз между опорным и формируемым колебаниями.
В [2] рассмотрены структуры генераторов-калибраторов фазы с потенциальным управлением фазы подстраиваемого генератора. Регулирование фазы обеспечивается путем введения в структуру системы ФАПЧ сумматора, установленного в цепи управления частотой подстраиваемого генератора (ПГ). Один из входов сумматора подключен к выходу фильтра системы ФАПЧ, а регулирующее напряжение подается на второй вход сумматора. Выход сумматора подключен к входу ПГ. Недостатком такой схемы является нелинейная зависимость регулирования фазы в случае, если дискриминационная характеристика фазового детектора (ФД) не линейна.
Для обеспечения линейности регулирования фазы необходимо использовать ФД с линейной характеристикой, например, на основе RS-триггера [2]. Регулирование фазы обеспечивается изменением местоположения контакта переменного потенциометра, включенного между выходами триггера, через который снимается напряжение, подаваемое через фильтр нижних частот на вход ПГ. Недостатком данного метода является необходимость использования на входах RS-триггера коротких импульсов опорной и подстраиваемой частот. Если импульсы активного уровня, поступающие на входы триггера, перекрываются во времени на обоих входах триггера, на его выходах устанавливаются одинаковые потенциалы, приводящие к тому, что подстройка в системе ФАПЧ прекращается. То есть в такой схеме формирования фазового сдвига нельзя обеспечить сдвиг фазы во всем диапазоне [0,2 π].
В то же время, использование систем ФАПЧ, обеспечивающих точную привязку фаз (синфазность) колебаний опорного и подстраиваемого генераторов, позволяет путем временной задержки одного из импульсных колебаний (опорного иди подстраиваемого) на величину Δt реализовать соответствующий фазовый сдвиг |, где Т - период колебания.
В известных системах ФАПЧ [4, 5], обеспечивающих синфазность опорного и формируемого колебаний, используются логические фазовые дискриминаторы (ЛФД), выполненные на цифровых логических элементах. ЛФД [6, 7] обладают дискриминационными характеристиками (ДХ) релейного типа без сдвига нуля. Это позволяет при соответствующем выборе параметров остальных узлов ФАПЧ формировать подстраиваемое колебание, фронт которого совпадает во времени с фронтом опорного колебания. Но указанная система ФАПЧ без дополнительно введенных в нее узлов не позволяет реализовывать точно заданный фазовый сдвиг между входным колебанием и колебанием, формируемым на выходе системы ФАПЧ.
Целью изобретения является разработка способа, позволяющего на основе системы ФАПЧ с синфазной привязкой колебаний реализовать регулируемый фазовый сдвиг двуполярных колебаний одинаковых частот в диапазоне [0,2 π] с разрешающей способностью, обеспечиваемой аналоговым элементом управления фазой, и устройства, его реализующего.
При использовании на входе и выходе системы ФАПЧ двуполярных колебаний или колебаний, преобразованных в двуполярные, перед подачей их на входы ЛФД, они должны быть преобразованы к виду периодических однополярных колебаний с уровнями цифровой логики. Учитывая, что опорное и формируемое колебания могут иметь любую форму, необходимым условием правильного преобразования исходных колебаний должно быть то, что исходные колебания должны быть двуполярными с двумя переходами через нулевой уровень в течение периода. К такого вида колебаниям можно отнести колебания симметричной формы: синусоидальное, треугольное и полученное на его основе трапецеидальное, прямоугольное, имеющее скажность 2. Перед подачей колебаний на входы ЛФД с помощью компараторов с нулевым пороговым уровнем их можно преобразовать в импульсные колебания с уровнями цифровой логики. С помощью подстраиваемого генератора можно формировать также несимметричные пилообразные двуполярные колебания [8], которые легко преобразуются в прямоугольные колебания со скважностью, отличной от двух, трапецеидальные с разными длительностями фронта и спада. В принципе опорное и подстраиваемое колебания могут иметь и иную периодическую форму, обеспечиваемую возможным использованием соответствующих преобразователей амплитуды колебания. Необходимым условием является существование у них двух переходов через нулевой уровень на периоде. При выполнении последнего любое из удовлетворяющих данному условию колебаний с помощью компаратора с нулевым порогом можно преобразовать в прямоугольное импульсное колебание с уровнями цифровой логики, которое можно подавать на ЛФД.
Понятие разности фаз колебаний было введено для оценки рассогласования фаз гармонических колебаний. Разность фаз колебаний другой формы оценивают не только по фазовому рассогласованию их первых гармоник, но и в единицах временного рассогласования, соотнесенного с периодом колебаний. Поэтому, если задержать с помощью линии задержки опорное колебание с уровнями цифровой логики, подаваемое на вход ЛФД, на определенную величину, то в системе ФАПЧ с синфазной привязкой колебаний будет обеспечиваться подстройка формируемого колебания к задержанному, поданному на вход ЛФД, а не исходному колебанию. Таким образом, опорное колебание будет смещено по фазе относительно подстраиваемого колебания на величину, определяемую параметрами линии задержки.
Импульсное логическое колебание, проходя через линию задержки, практически не меняет своей формы. Следствием этого является то, что данная процедура не влияет на точность фазового сдвига. Кроме того, на формируемое колебание никакого дополнительного воздействия не производится. Поэтому форма формируемого колебания остается неизменной во всех режимах работы системы ФАПЧ.
Линия задержки может быть реализована как цифровой, так и аналоговой. Аналоговая линия задержки выполняется на основе LC- и RC-цепочек, устройств с переключаемыми конденсаторами и приборов с зарядовой связью. Наиболее просто реализуемым является элемент задержки, выполненный последовательным включением RC-цепочки и логического элемента, повышающего крутизну фронтов задержанного колебания.
Поскольку высокая точность синхронизации обеспечивается свойствами астатической системы ФАПЧ, при использовании прецизионных резистора и конденсатора реализуется задание фазового сдвига в диапазоне [0, 2π] с высокой стабильностью и высокой разрешающей способностью.
Предлагается способ формирования двуполярного колебания с заданным фазовым сдвигом путем использования системы ФАПЧ с прецизионной (синфазной) привязкой подстраиваемых колебаний, в которой форма входного и формируемого колебаний перед подачей их на входы логического фазового дискриминатора (детектора) посредством компараторов с нулевым порогом сравнения преобразуется в импульсную с уровнями цифровой логики, а регулирование фазового сдвига обеспечивается временной задержкой одного из подаваемых на входы ЛФД колебаний.
Предложенный способ реализуется в системах ФАПЧ с ЛФД [4,5], среди которых в качестве прототипа выбрана схема с нелинейными обнуляемыми интеграторами [5], обладающая при относительно широкой полосе захвата минимальной установившейся фазовой ошибкой. Рассматриваемая система ФАПЧ (фиг. 1) содержит логический фазовый дискриминатор знакового типа 1, формирователь напряжения 2 с обнуляемыми интеграторами, обеспечивающими нелинейный закон формирования напряжения, астатическое звено, состоящее из пропорционального звена 3 и интегратора 4, сумматор напряжений 5, подстраиваемый генератор 6. Формирователь напряжения 2 (фиг. 2) состоит из формирователя двуполярного постоянного напряжения ФН, входы которого подключены к прямому и инверсному выходам ЛФД, а выход - к входам обнуляемых интеграторов ОИ1 и ОИ2, вход управления обнулением (сбросом) первого из которых (ОИ1) подключен к прямому выходу дискриминатора, в вход управления сбросом второго (ОИ2) - к инверсному выходу ЛФД. Выходы обнуляемых интеграторов соединены с входами суммирующего устройства СУ, выход которого, являющийся выходом формирователя нелинейно изменяемых напряжений, подключен к дополнительным входам ОИ1, ОИ2. Данная система ФАПЧ обеспечивает точную (с разностью фаз, близкой к нулевой) привязку колебаний [9].
Устройство, обеспечивающее реализацию предлагаемого способа, дополнительно к узлам, содержащимся в структуре фиг. 1, включает два компаратора с нулевым порогом сравнения и аналоговый элемент задержки. Структура предлагаемого устройства приведена на фиг. 3. Она содержит релейный ЛФД 1, выходы которого подключены к формирователю 2 нелинейных напряжений, содержащему обнуляемые интеграторы. Выход формирователя соединен с входами пропорционального звена 3 и интегратора 4, выходы которых раздельно подключены к входам сумматора 5. Выход сумматора соединен с входом подстраиваемого генератора 6, выход которого является выходом устройства. Выход подстраиваемого генератора подключен к входу компаратора 7 с нулевым порогом сравнения. Выход компаратора 7 соединен с первым входом логического фазового дискриминатора 1. Вход устройства подключен к входу второго компаратора напряжения 8 с нулевым порогом сравнения, выход которого через элемент задержки 9 подключен ко второму (опорному) входу дискриминатора.
к1
к2
вх
вых
к1
к2
з
Когда элемент 9 не обеспечивает задержку прохождения сигнала (Δt=0) в предлагаемом устройстве обеспечивается подстройка колебаний U и U, формируемых на выходах компараторов 7 и 8, с разностью фаз Δϕ=0. Если задержка прохождения сигнала через компараторы незначительна или одинакова, обеспечивается синфазность колебаний входного U и выходного U колебаний. Соответствующие эпюры напряжений показаны на фиг.4 для колебаний треугольной формы, подаваемых на вход устройства и формируемых на его выходе, где U, U - напряжения на выходе первого и второго компараторов напряжения, U - напряжение на выходе элемента задержки.
к2
з
к2
з
к1
к2
з
вых
вх
Если элемент задержки задерживает прохождение через него колебания U на время Δt>0, напряжение U повторяет напряжение U с задержкой на время Δt. Система ФАПЧ обеспечивает подстройку колебаний U и U с нулевой разностью фаз. Поскольку колебание U смещено относительно колебания U во времени на величину Δt, в системе при отсутствии или одинаковых значениях задержек напряжений в компараторах с нулевым порогом сравнения реализуется фазовый сдвиг  колебания U относительно колебания U (фиг. 5).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ротач Л.О., Зеленин А.Н. Принцип и устройство формирования сигналов с определенным фазовым сдвигом в диапазоне частот. Восточно-Европейский журнал передовых технологий 3/5 (45), 2010. С. 37-41.
2. Жилин Н.С. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике. - Томск: Радио и связь, 1989. - 384 с.
3. А.с. СССР №457937, МКИ G01R 25/00. Устройство для цифрового формирования фазового сдвига. / В.И. Мутанов, В.Л. Соловьев, В.Б. Игнатьев. Заявлено 04.07.73. Опубл. 25.01.75. БИ. №3.
4. А.с. 1622948, СССР, МКИ H03L 7/00. Устройство фазовой автоподстройки частоты / В.Ф. Одиноков, С.И. Холопов, В.Н. Холопов. №4496970/09. Заявлено 21.10.88. Опубл. 23.01.91. Бюл. №3.
5. А.с. 1415441, СССР, МКИ H03L 7/00. Устройство фазовой автоподстройки частоты / В.Ф. Одиноков, С.И. Холопов, М.В. Петров. №4162161/24-09. Заявлено 11.12.86. Опубл. 07.08.88. Бюл. №29.
6. А.с. 1279047 СССР, МКИ H03D 13/00, G01R 25/00. Фазовый дискриминатор / В.Ф. Одиноков. №3909009/24-09. Заявлено 30.04.85. Опубл. 23.12.86. Бюл. №47.
7. Холопов С.И., Одиноков В.Ф. Сдвиг нуля дискриминационной характеристики логического фазового дискриминатора // Депонированные рукописи. №1135-св 87. ВИНИТИ, 1987. №12.
8. Шахмейстер Л.Е. Цифрочастотные и время-импульсные преобразователи информации. - М.: Издательство КДУ, 2008. - 252 с.
9. Холопов СИ. Расширение полосы захвата релейной астатической системы фазовой синхронизации // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2013. №3 (выпуск 45). С. 49-53.