Вычислитель восьмипульсационного модуля квадратурных сигналов

Вычислитель восьмипульсациоииого модуля
Полезная модель относится к электрорадиотехнике, в частности, к устройствам для получения модуля квадратурных сигналов и может быть использована в радиолокационных станциях, устройствах автоматики и вычислительной техники.
Известен амплитудный детектор, содержащий фазорасщепитель входного сигнала, первый и второй выходы которого через первый и второй детекторы составляющих входного сигнала подключены соответственно к первому и второму входам выходного сумматора, а также к первому и второму входам детектора разности сигналов, выход которого подключен к третьему входу выходного сумматора SU 1249690,1986, Н 03D 1/00.
В данном устройстве первый и второй детекторы вьшолняют функции двухполупериодных выпрямителей, т. к. они выполняют операцию выпрямления двухполярных, сдвинутых по фазе на 7i/2 синусоидальных входных напряжений, в однополярные напряжения без сглаживающего фильтра. Такую же функцию выполняет и детектор разности сигналов. 3-х входовая схема выходного сумматора выполняет функции вычитателя, умножителя и выходного сумматора. Умножитель имеет масщтабирующий коэффициент, равный
(V2-1) (в описании изобретения последний понимается как делитель с масштабирующим коэффициентом, равным 2,41. Но 2,41  л/2 +1  J2 - J , что соответствует масштабирующему коэффициенту (V2-1) для умножителя). Таким образом, известный амплитудный детектор по а. с. № 1249690 является, по сути, вычислителем восьмипульсационного модуля квадратурных сигналов, который содержит первый, второй и третий двухполупериодные выпрямители, вычитатель, умножигель и выходной сумматор.
Недостатком известного устройства является не полшое использование мощности
входных сигналов, что ухудщает характеристики продете1сгированных сигналов на его выходе как при аналоговой, так и цифровой обработке (точность вычисления модуля, помехоустойчивость и др.), а также отсутсгвие вариантности его настройки.
Задачей полезной модели является расщирение функциональных возможностей вычислителя модуля квадратурных сигналов за счет более полного использования их мощности.
.н« J W pr s ГVГV .; МПК 7 H 03D 1/00 квадратурных сигналов
t
;/} XfiJ / /
Это достигается тем, что в известное устройство, содержащее первый, второй и третий двухполупериодные выпрямители, первый умножитель, вычитатель, выходной сумматор, согласно полезной модели введены первый сумматор и второй умножитель, при этом входы первого и второго двухполупериодных выпрямителей являются входами устройства, выход первого двухполупериодного выпрямителя входного напряжения косинусоидальной формы соединен с первымн входами соотвеггственно вычитателя и первого сумматора, а выход второго вдухполупериодного выпрямителя входного напряжения, сдвинутого по фазе на 7t/2, соединен со вторыми входами первого сумматора и вычитателя, к выходу которого подключены последовательно соединенные третий двухполупериодный выпрямитель и первый умножнтелц выход которого соединен с первым входом выходного сумматора; выход первого сумматора соединен с входом второго умножителя, выход которого подключен ко второму входу выходного сумматора, выход которого является выходом устройства.
Введение в предлагаемое устройство первого сумматора и второго умножителя позволяет при том же коэффициенте пульсаций, что и у прототипа, повысить мощность продетектированных сигналов и тем самым получить более высокую точность измерения их модуля, а за счет выбора величин коэффициентов умножения в каждом конкретном случае - расширить функциональные возможности устройства.
Полезная модель поясняется чертежами: на фиг. 1 представлена структурная схема вычислителя восьмипульсационного модуля квадратурных сигналов; на фиг. 2-5 изображены диаграммы пульсаций напряжения на выходах элементов структурной схемы.
Вычислитель восьмипульсационного модуля квадратурных сигналов (фиг. 1) содержит первый (1), второй (2) и третий (5) двухполупериодные выпрямители (ДБ), вычитатель (3), первый сумматор (4), первый (6) и второй (7) умножители и выходной сумматор
(8). Входы первого ДВ 1 и второго ДВ 2 являются входами устройства. К выходу первого ДВ 1 входного напряжения косинусоидальной формы подключены последовательно соединенные вычитатель 3, третий ДВ 5 и первый умножитель 6, а к выходу второго ДВ 2 входного напряжения, сдвинутого по фазе на я/2, подключены последовательно соединенные первый сумматор 4 и второй умножитель 7. Выход первого ДВ 1 соединен также со вторым входом первого суммаггора 4, выход второго ДВ 2 соединен также со вторым входом вычитателя 3. Выходы первого 6 и второго 7 умножителей подключены соответственно к первому и второму входам выходного сумматора 8, выход которого является выходом устройства.
Элементы устройства вычислителя выполнены по известным правилам и работают по своему функциональному назначению см., например, Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. 400 схем для АВМ. - М:, Энергия, 1978. Заявленное устройство (как и прототип) может быть выполнено на элементах как аналоговой, так и цифровой техники, в частности, на интегральных микросхемах (ИМС). В экспериментальной установке выпрямители 1, 2, 5 были реализованы на ИМС типа 1533АПЗ, 1533КП11; вычигатель 3 и сумматоры 4,8 - на ИМС типа 1533ИГО, 1533КП11; умножители 6,7 - на ИМС типа 1802ВРЗ.
Заявленный вычислитель восьмипульсационного модуля квадратурных сигналов работает по уравнению:
С  Ki-|(lal - lbl)| + Kr(lal + Ibl),(1)
где С - выходной сигнал выходного сумматора 8;
KI, Кг - коэффициенты умножения соответственно первого 6 и второго 7 умножителей;
а  Cosa - сигнал с единичной амплитудой на входе первого ДБ 1; b  Sina - сигнал с единичной амплитудой на входе второго ДБ 2; а - фаза колебаний;
1а1, Ibl - выходные сигналы, соответственно, первого и второго ДВ; (1а1 - Ibl) - выходной сигнал вычитателя 3;
|(1а1 - lbl)| - модуль разности двух модулей на выходе третьего ДВ 5. (1а1 + Ibl) - выходной сигнал первого сумматора 4.
Двухполярные квадратурные сигналы с единичной амплитудой косинусоидальной формы а  Cosa поступают на вход первого ДВ 1. Сигналы, сдвинутые по фазе на 7t/2 и имеющие синусоидальную форгиу Ь  Sina, подаются на вход второго ДВ 2. В результате
двухполупериодного выпрямления, на выходах первого 1 и второго 2 ДВ выделяются однополярные сигналы (модули) с двумя пульсациями за период косинусоиды (синусоиды). Они имеют 100% - ю модуляцию с нулевым нижним уровнем и верхним уровнем, равным
1,0. Коэффициент пульсации т модулей, например |а| и |Ь|, квадратурных сигналов условимся опреде.11ять с помощыо огносительной погрешности вычисления модуля:
,(2)
Сигналы с выходов ДВ 1, 2 одновременно поступают на первые входы вычитателя 3 и первого сумматора 4. В вычитателе 3 модули |а{ и |Ь| (на диаграмме фиг. 2 изображены пунктиром) вычитаются один из другого и на выходе выделяется разностный двухполярный сигнал приблиз1ггельно пилообразной формы (фиг. 2). Этот сигнал поступает в третий ДВ 5, где в результате двухполупериодного выпрямления преобразуется в однополярный четырехпульсационный модуль (фиг. 3). Ои имеет 100% - и коэффициент пульсаций с нулевым нижним уровнем и верхним уровнем, равным 1,0. Далее, пройдя через первый умножитель б, этот сигнал поступает на первый вход выходного сумматора 8.
В первом сумматоре 4 двухпульсационные модули с выходов первого 1 и второго 2 ДВ (на диаграмме фиг. 4 они изображены пунктирными линиями) арифметически складываются и на выходе выделяется четырехпульсационный модуль с нижним уровнем, равным 1,0, и верхним уровнем, равиым 1,41 (фиг. 4). Он имеет коэффициент пульсаций
да  MI-1.0   .
Пройдя через второй умножитель 7, этот сигнал поступает на второй вход выходного сумматора 8. Здесь четырехпульсациониые модули (иа диаграмме фиг. 5 они изображены пунктирными линиями) арифметически складываются и на выходе устройства выделяется восьмипульсационный модуль квадратурных сигналов (фиг. 5), характеристики которого определяются выбором величин коэффициентов умножения Ki и К2 соответственно в первом 6 и во втором 7 умножителях, которые связаны между собой соотношением:
Данное выражение получается из условия равенства обоих нижних )фовней «горбушек восьмипульсационного модуля, следуюших с периодом 27t/8, т.е. в точках отсчета фазы колебаний о, равных 0° и 45° по формуле (1). При этом имеет место равенство   СИЗ или
Ki|(lCosO°l - )| + К2 (iCosO l + iSinO l)   Ki|(lCos45 | -  + K2 (lCos45 l + lSin45°l).
Решая это равенство, получим /if,  К.-. Это соотношение, при котором получается минимальный коэффициент пульсаций модуля квадратурных сигналов на выходе устройства (выходного сумматора 8), является оптимальным. Результаты вычисления восьмипульсационного модуля при различных величинах К и К2 приведены в таблице.
0%.///// /
/С,).(3)
Расчет коэффициентов усиления Ki и К2 произведен с учетом формулы (3) для всех вариантов. При этом для прототипа справедливо  и , что также соответствует формуле (3). Для вариантов I и П сначала были выбраны соответственно KI  1 и К2  4,
а затем вычислены соответственно К2  v2+1 и KI  4(л/2 - 1), т.е. так, чтобы в обоих случаях выполнялось условие: KI  1. Это принципиально важно, поскольку мощность выходного сигнала первого умножителя 6 не уменьшается при KI  1, и наоборот возрастает при KI  4(/2 - 1)  1,64. В протопгипе же мощность этого сигнала уменьшается, т.к. KI  0,41, что снижает помехозащищенность этой части аппаратуры, особенно от внутренних помех-наводок. Выбор К2  4 сделан не случайно, т.к. при четных целых значениях К можно вместо сложной микросхемы умножителя (например, 1802ВРЗ) использовать более простую микросхему сдвигающего регистра (например, 1533 ИР23).
Для варианта Ш (любого О1тгимального) расчет KI и К2 производится по той же формуле (3) и независимо от выбора величины KI (или К2), дробной либо целой. При этом коэффициент пульсаций остается одним и тем же, минимальным и оптимальным, равным 7,61%, что справедливо и при KI  1,0. Для примера можно взять К2  2, тогда KI  2(1)  0,82, что лучше прототипа по помехозащищенности. Таким образом, варианту Ш соответствует множество оптимальных пар KI и Kj, при которых ш  7,61%, поскольку величина коэффициента пульсаций m не зависит от значений KI и К2, если они вычислены по формуле (3). Это можно показать, вычисляя значения верхнего (Ug) и нижнего (С/н) уровней пульсаций по формуле (1). Нижний уровень пульсаций выходного восьмипульсационного модуля:
д.й;:;/ /
Таблица
и,.  С(0)  к, (CosO° - SinO°) + К,( V2 + 1) (CosO° + SinO°)
Ki( 2 + 2)    К, + Кз.
Покажем, что фаза колебаний о,, соответствующая верхнему уровню пульсаций восьмипульсационного модуля, равна 22,5. Продифференцируем формулу (1) цо о, приравняем результат к нулю и после преобразований получим:
osa,, К, гffLJ4  -    0.4142,
:asa.+5i/ia. К.,
откуда после вычислений следует, что о.  22,5°. Тогда верхний уровень пульсаций выходного восьмипульсационного модуля:
и,  С(22,50  Ki(Cos22,5 - Sin22,50 + + KiCVi - lXCos22,5 + Siii22,5°)  Ki-0,5412 + Ki(, + 1) -1,3066
т.е. U,  3,6954Ki  1,5306K2. Следовательно,
« . .  3,6954/.-3,4142/.,  U,3,6954A-,
Отсюда следует, что для всех вариантов вычисления модуля, рассчитанных по формуле (3), величина коэффициента пульсаций ш остается одной и той же, а именно 7,61%.
В заявленном вычислителе восьмипульсационного модуля при Ki  1, как и в прототипе при KI  0,4142, при цифровой обработке с квантованием амплитуды сигналов двоичным кодом происходт снижение разрядности двоичного кода (на один-два разряда в прототипе). Это приводш к соответствующему возрастанию относительной погрешности амплитудного квантования
и -U2 -(2
т,   100%  (ioo%  -100%,
и,
где п - число разрядов амплитудного квантования.
Здесь также учтено, что разность ((/„, т.е. равна единице младшего значащего разряда аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Для и 3; 4; 5; 6; 7; 8; 10 после расчета получим соответственно:
,////3/
3,6954K,,
Относительная погрешность алотлитудного квантования в наихудшем случае может суммироваться с относительной погрешностью вычисления модуля с коэффициентом пульсаций m  7,61%. Для вгфианта I вычислителя восьмипульсационного модуля с использованием наиболее широко применяемых АЦП типа 1107ПВ1 и 1107ПВ2 при п 5; 7 получим соотвепгственно:
1Я«  7,61% + 3,125%  10,71%; да,  7,61% + 0,78%  8,39%.
Для прототипа число квашований, соответствующих верхнему уровню С/в при w 5; 7 уменьшается соответственно с 32 и 128 до 32-0,41  13 и 128-0,41  53. При этом относительная погрешность также возрастает в 2,41 раза (т.к. 2,41) и, соответственно, будет равна 7,54% и 1,88%. Таким образом, суммарная относительная погрешность вычислений в прототипе при К1  0,41 явно хуже  агаосительной погрешности заявленного вычислителя по варианту I вычисления восьмипульсационного модуля при Ki  1. При KI  1 можно по.пучить дополнительное снижение суммарной относительной погрешности.
Сказанное и.г1люстрируется фиг. 5, на которой представлены диаграммы напряжений на выходе устройства (выходного сумматора 8) для варианта I вычисления восьмипульсационного модуля квадратурных сигналов, когда К1  1иК2 л/2+1. Для наглядности здесь пунктирными линиями обозначены:
Г/й - напряжение на первом входе выходного сумматора 8 (с выхода первого умножителя 6);
С/7 - напряжение на втором входе выходного сумматора 8 (с выхода второго умножителя 7);
Us - восьмипульсационное напряжение на выходе устройства (выходного сумматора 8);
Uexi - напряжение на первом входе выходного сумматора в устройстве-прототипе; Uex2 - напряжение на втором входе выходного сумматора в устройстве-прототипе Ueta - напряжение на выходе выходного сумматора в устройстве-прототипе. При осуществлении заявленной полезной модели обеспечивается: - использование полной мощности разностного сигнала при KI  1, что повьш1ает помехозащищенность вычислителя восьмипульсационного модуля квадратурных сигналов, в частности, от внутренних помех-наводок;
,
-дополнительное усиление выходного сигнала устройства при Ki  1, что часто требуется на практике, например, при подаче этого сигнала на индикаторы;
-устранение снижения разрядности амплшудного квантования разностного сигнала после первого у шожителя на один-два разряда двоичного кода, что исключает увеличение относительной погрешности вычислення модуля;
-расширение функциональных возможностей вычнслителя восьмипульсационного модуля квадратурных сигналов за счет большой вариантности настройки умножителей.
f
/ о
((