Формирователь сигнала треугольной формы
TRIANGULAR WAVEFORM GENERATOR

Изобретение относится к области радиотехники и вычислительной техники и может быть использовано в радиолокации, в преобразователях "напряжение-временной интервал", широтно-импульсных модуляторах, устройствах временной задержки и т.д.
Известно устройство [1], содержащее фазовращатель (выполненный из фазосдвигающей RC-цепочки), два двухполупериодных выпрямителя и сумматор, на выходе которого формируется сигнал треугольной формы.
Фазовращатель обеспечивает фазовый сдвиг на угол 90 электрических градусов, но только для одного фиксированного значения частоты входного сигнала. При переходе на другую частоту необходима перестройка постоянной времени фазосдвигающей RC-цепочки за счет изменения параметров емкости С или резистора R. Серьезным недостатком является также значительная нелинейность формируемого сигнала треугольной формы на участках «прямого» и «обратного» хода формируемого сигнала.
Известно устройство [2], содержащее широкодиапазонный амплитудно-независимый фазовращатель (выполненный из операционного усилителя, неуправляемого и кодоуправляемого двухполюсников, блока управления и двух резисторов), два вычислителя модуля и дифференциальный усилитель (выполненный из второго операционного усилителя и четырех резисторов), на выходе которого формируется сигнал квазитреугольной формы. Реактивные элементы (емкости, индуктивности или их имитаторы), входящие в состав двухполюсников, значительно ухудшают динамику формирователя, то есть «затягивают» установление переходного процесса, что наряду со сложностью практической реализации отдельных блоков можно считать определенными недостатками устройства. Кроме того, на выходе устройства формируется сигнал, не обладающий высокой линейностью.
Известно устройство [3], содержащее первый и второй вычислители модуля (выполненные из двухполупериодных выпрямителей), блок коррекции и суммирующий блок (выполненный из вычитателя и сумматора), выход которого соединен с выходом формирователя сигнала треугольной формы, первый вход которого соединен с входом первого вычислителя модуля и первым входом блока коррекции, а второй вход - с входом второго вычислителя модуля и вторым входом блока коррекции, выход которого соединен с третьим входом суммирующего блока, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго вычислителей модулей.
Формирователь может работать в условиях изменения частоты входных квадратурных гармонических сигналов в широких пределах, но амплитуда этих сигналов при этом должна оставаться стабильной, что ограничивает возможности такого преобразователя.
Известно устройство [4], содержащее базовый блок (ББ) и блок коррекции (БК), выход которого соединен с третьим входом базового блока, выход которого соединен с выходом формирователя сигнала треугольной формы, первый вход которого соединен с первыми входами базового блока и блока коррекции, при этом второй вход формирователя сигнала треугольной формы соединен со вторыми входами базового блока и блока коррекции.
Базовый блок выполнен из двух вычислителей модуля, вычитателя и сумматора, первый вход которого подключен к выходу вычитателя, при этом первый вычислитель модуля включен между первым входом базового блока и первым входом вычитателя, второй вычислитель модуля включен между вторым входом базового блока и вторым входом вычитателя, причем третий вход базового блока соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен с выходом формирователя сигнала треугольной формы.
Блок коррекции выполнен из двух квадраторов, второго вычитателя, второго сумматора, делителя и схемы извлечения квадратного корня, вход которой соединен с выходом второго сумматора, при этом выход первого квадратора соединен с первым входом второго вычитателя и первым входом второго сумматора, выход второго квадратора соединен со вторым входом второго сумматора и вторым входом второго вычитателя, к выходу которого подключен первый вход делителя, второй вход которого соединен с выходом схемы извлечения квадратного корня, причем первый и второй входы блока коррекции соединены с входами соответственно первого и второго квадраторов.
При подаче квадратурных гармонических сигналов на входы устройства на его выходе формируется сигнал треугольной формы. Работоспособность формирователя сигнала треугольной формы сохраняется при изменении частоты и амплитуды квадратурных гармонических сигналов в широких пределах, но устройство является достаточно сложным, поскольку содержит в своем составе прецизионные нелинейные блоки (два квадратора, делитель и схему извлечения квадратного корня), которые и будут в основном определять стоимость формирователя сигнала треугольной формы.
Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является, принятый за прототип, формирователь сигнала треугольной формы [5, рис. 1], содержащий управляемый источник квадратурных гармонических сигналов, два вычислителя модуля, два квадратора, делитель и три сумматора, при этом первый выход управляемого источника квадратурных колебаний соединен с входом первого вычислителя модуля и входом первого квадратора, второй выход управляемого источника квадратурных колебаний соединен с входом второго вычислителя модуля и входом второго квадратора, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора, к выходу которого подключен первый вход делителя, второй вход которого соединен со вторым входом управляемого источника квадратурных гармонических сигналов, первый вход которого соединен с первой управляющей шиной формирователя сигнала треугольной формы, вторая управляющая шина которого соединена со вторым входом управляемого источника квадратурных гармонических сигналов, при этом первый и второй входы первого сумматора соединены с выходами соответственно первого и второго вычислителей модулей, а выход первого квадратора соединен с первым входом второго сумматора, причем выход первого сумматора соединен с первым входом третьего сумматора, выход делителя соединен со вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с выходной шиной формирователя сигнала треугольной формы.
Работоспособность формирователя сигнала треугольной формы сохраняется при изменении частоты и амплитуды квадратурных гармонических сигналов в широких пределах, но устройство является достаточно сложным, поскольку содержит в своем составе прецизионные нелинейные блоки (два квадратора и делитель), которые и будут в основном определять стоимость формирователя сигнала треугольной формы.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности и снижение стоимости устройства в условиях изменения частоты и амплитуды формируемого сигнала в широких пределах.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении надежности и снижении стоимости устройства в условиях изменения частоты и амплитуды формируемого сигнала в широких пределах.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в формирователь сигнала треугольной формы, содержащий управляемый источник квадратурных гармонических сигналов, первый и второй вычислители модулей, первый и второй сумматоры, первые входы которых подключены к выходу первого вычислителя модуля, вход которого соединен с первым выходом управляемого источника квадратурных гармонических сигналов, между вторым выходом которого и вторым входом первого сумматора включен второй вычислитель модуля, при этом выход второго сумматора соединен с выходом формирователя сигнала треугольной формы, первый и второй входы которого соединены, соответственно с первым и вторым входами управляемого источника квадратурных гармонических сигналов, дополнительно введен третий вычислитель модуля, включенный между выходом первого сумматора и третьим входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго вычислителя модуля.
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, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Введение в предлагаемое устройство третьего вычислителя модуля, а также организация новых связей между функциональными элементами позволило повысить надежность и снизить стоимость устройства в условиях изменения частоты и амплитуды формируемого сигнала в широких пределах.
Изобретение поясняется структурной схемой формирователя сигнала треугольной формы (фиг. 1) и графиками (фиг. 2, фиг. 3), поясняющими принцип работы формирователя сигнала треугольной формы.
Формирователь сигнала треугольной формы (фиг. 1) содержит управляемый источник квадратурных гармонических сигналов 1, первый 2, второй 3 и третий 6 вычислители модулей, первый 4 и второй 5 сумматоры, первые входы которых подключены к выходу первого вычислителя модуля 2, вход которого соединен с первым выходом управляемого источника квадратурных гармонических сигналов 1, второй выход которого соединен с входом второго вычислителя модуля 3, к выходу которого подключены вторые входы первого 4 и второго 5 сумматоров, при этом третий вычислитель модуля 6 включен между выходом первого сумматора 4 и третьим входом второго сумматора 5, выход которого соединен с выходом формирователя сигнала треугольной формы, первый и второй управляющие входы которого соединены с соответствующими входами управляемого источника квадратурных гармонических сигналов 1.
Формирователь сигнала треугольной формы работает следующим образом.
f
m
При подаче напряжений E и E на соответствующие входы формирователя сигнала треугольной формы (фиг. 1) после окончания переходных процессов на выходах управляемого источника квадратурных гармонических сигналов 1 формируются сигналы I(t) и Q(t), сдвинутые друг относительно друга на 90 электрических градусов
1
2
m
f
где  - текущее значение угла в радианах; А и A - амплитудные значения сигналов I(t) и Q(t), зависящие от заданного значения напряжения E на втором входе управляемого источника квадратурных гармонических сигналов 1;  - частота формируемых сигналов I(t) и Q(t), значение которой определяется величиной напряжения E, приложенного к первому входу управляемого источника квадратурных гармонических сигналов 1.
1
2
*
При нормированных значениях амплитуд А=А=А=1 выражение (1) упрощается
Сформированные сигналы I(t) и Q(t) изображены на фиг. 2, а.
1
2
На выходе первого 2 и второго 3 вычислителей модулей формируются (фиг. 2, б) однополярные сигналы M(t) и M(t), которые поступают на соответствующие входы первого 4 и второго 5 сумматоров.
На выходе первого сумматора 4 сигнал
11
12
где k и k - коэффициенты передачи, соответственно, по первому и второму входам первого сумматора 4.
11
12
Анализ синтезированного сигнала S(t) (фиг. 2, б), полученного для значений коэффициентов k=k=1, позволяет сделать вывод, что сигнал S(t) имеет S-образные (отличные от линейных) характеристики как на нарастающем, так и на спадающем участках формируемого сигнала и имеет значительную нелинейность.
3
1
2
0
1
2
1
2
Линеаризация сигнала S(t) производится с помощью вычислителя модуля 6 и сумматора 5. На выходе вычислителя модуля 6 формируется (фиг. 2, в) однополярный сигнал M(t), который поступает на третий вход второго сумматора 5. В результате суммирования сигналов M(t) и M(t) можно получить (фиг. 2, г) сигнал V(t)=М(t)+М(t), наибольшее (амплитудное) значение которого будет превышать амплитудные значения сигналов M(t) и М(t) в  раз.
Коэффициенты передачи по первому и второму входам второго сумматора 5 должны иметь равные значения , а коэффициент передачи по третьему входу .
1
2
Для более наглядного представления процесса линеаризации сигнала S(t) на графиках, изображенных на фиг. 3, представлены виртуальные сигналы V(t) и V(t)
.
1
2
1
2
3
Сигналы V(t) и V(t) имеют нелинейности противоположной направленности (фиг. 3, б), которые в результате суммирования компенсируют друг друга, поэтому в результате суммирования реальных сигналов М(t), М(t) и М(t) на выходе второго сумматора 5 формируется (фиг. 3, б) линейно-изменяющийся сигнал треугольной формы N(t), качественно отличающийся от синтезированного сигнала S(t), изображенного на фиг. 3, а.
Устройство работоспособно в условиях изменения частоты и амплитуды квадратурных гармонических сигналов в широких пределах. Предлагаемое устройство, в отличие от прототипа, не имеет в своем составе прецизионных дорогостоящих множительно-делительных блоков (два квадратора и делитель), а также содержит меньшее количество элементов, что в конечном итоге приводит к повышению надежности и к снижению его стоимости.
Использование предлагаемого изобретения позволит повысить надежность и снизить стоимость устройства в условиях изменения частоты и амплитуды формируемого сигнала в широких пределах.
Источники информации
1. Шустов М.А. Аддитивный формирователь сигнала треугольной формы. - Радиотехника, 2003, № 1, (стр. 95 - Рис. 1).
2. Пат. 81859, Российская Федерация, МПК H03K 4/06. Аналого-цифровой аддитивный формирователь сигнала треугольной формы / Дубровин B.C., Зюзин A.M. - № 2008146321/22; заявл. 24.11.08; опубл. 27.03.09, Бюл. № 9. - 12 с., 2 ил.
3. Пат. 83669, Российская Федерация, МПК H03K 4/06. Аддитивный формирователь сигнала треугольной формы / Дубровин B.C., Зюзин A.M. - № 2009103327/22; заявл. 02.02.09; опубл. 10.06.09, Бюл. № 16. - 8 с., 5 ил.
4. Пат. 2541147, Российская Федерация, МПК H03B 27/00. Функциональный генератор / Дубровин B.C., Зюзин A.M. - № 2013143418/08; заявл. 25.09.12; опубл. 10.02.15, Бюл. № 4. - 10 с., 2 ил.
5. Дубровин B.C. Управляемый по амплитуде и частоте формирователь линейно изменяющегося симметричного сигнала / B.C. Дубровин // Южно-сибирский научный вестник. - Бийск, 2015. - № 3 (11). - С. 21-25 (прототип).