ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СИГНАЛА ТРЕУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ
PHASE SHIFTER OF TRIANGULAR WAVEFORM

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 фазосдвигающий элемент, управляемый (по модулю и знаку коэффициента передачи) делитель напряжения, первый, второй и третий сумматоры, первый и второй фазовые детекторы, первый и второй интеграторы и управляемый усилитель, при этом вход устройства соединен с входом фазосдвигающего элемента, первым входом управляемого делителя напряжения, первыми входами второго и третьего сумматоров и первого фазового детектора, а выходы фазосдвигающего элемента и управляемого делителя напряжения соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с входами первого фазового детектора и управляемого усилителя, выход которого соединен с выходом устройства и вторыми входами второго и третьего сумматоров, выходы которых соединены с входами второго фазового детектора, выход которого через второй интегратор соединен с управляющим входом управляемого усилителя, причем первый интегратор включен между выходом первого фазового детектора и вторым входом управляемого делителя напряжения.
При подаче на вход гармонических колебаний на выходе устройства также формируются гармонические колебания, но сдвинутые по отношению к входным на 90 электрических градусов. Устройство не может работать с входными сигналами, форма которых отличается от гармонических.
Известно устройство [2], содержащее входной и выходной операционные усилители, диодный ограничитель, первый, второй, третий и четвертый резисторы, входную шину и шину управления, которая соединена с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с входной шиной, между которой и неинвертирующим входом второго операционного усилителя включен первый резистор, второй резистор включен между шиной управления инвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с выходной шиной, при этом третий резистор включен между выходом диодного ограничителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, между выходом и инвертирующим входом которого включен четвертый резистор.
Недостатком данного устройства является низкая точность установки фиксированного фазового сдвига вследствие возможных изменений амплитуды напряжения треугольной формы и величины управляющего напряжения.
Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип удвоитель частоты сигнала [3], содержащий источник управляющего напряжения, первый и второй формирователи импульсов, выполненные из компараторов, логическую схему, первый и второй коммутаторы, сумматор и интегратор, включенный между выходом первого коммутатора и первой выходной шиной, при этом выход интегратора соединен с входами первого и второго формирователей импульсов и вторым входом сумматора, к выходу которого подключен первый вход второго коммутатора, второй вход которого соединен с выходом логической схемы, первый вход которой соединен с первым входом сумматора, причем к выходу второго формирователя подключены вторые входы первого коммутатора и логической схемы, вторая выходная шина соединена с выходом второго коммутатора, а первый вход первого коммутатора подключен к выходу источника управляющего напряжения.
Устройство работает в автоколебательном режиме и формирует на своих выходах сигналы треугольной формы, сдвинутые относительно друг друга на 90 электрических градусов.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства путем получения на его выходе сигнала треугольной формы, сдвинутого по отношению к входному сигналу треугольной формы на 90 электрических градусов, частота и амплитуда которого могут изменяться в широких пределах.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей устройства путем получения на его выходе сигнала треугольной формы, сдвинутого по отношению к входному сигналу треугольной формы на 90 электрических градусов, частота и амплитуда которого могут изменяться в широких пределах.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в фазовращателе сигнала треугольной формы, содержащем первый и второй формирователи импульсов, логическую схему, первый и второй коммутаторы и сумматор, к выходу которого подключен второй вход второго коммутатора, выход которого соединен с выходом фазовращателя сигнала треугольной формы, входная шина которого соединена с входами первого и второго формирователей импульсов и вторым входом сумматора, при этом к выходу первого формирователя импульсов подключен первый вход логической схемы, второй вход которой соединен с выходом второго формирователя импульсов и вторым входом первого коммутатора, дополнительно введены датчик амплитуды и второй сумматор, первый вход которого соединен с выходом логической схемы и вторым входом датчика амплитуды, первый вход которого соединен с входной шиной фазовращателя сигнала треугольной формы, при этом выход датчика амплитуды соединен с первым входом первого коммутатора, к выходу которого подключен первый вход сумматора, причем первый вход второго коммутатора подключен к выходу второго сумматора, второй вход которого соединен с шиной опорного напряжения.
Датчик амплитуды может быть выполнен из вычислителя модуля, устройства выборки-хранения и одновибратора, вход которого соединен со вторым входом датчика амплитуды, первый вход которого соединен с входом вычислителя модуля, к выходу которого подключен первый вход устройства выборки-хранения, второй вход которого подключен к выходу одновибратора, при этом выход устройства выборки-хранения соединен с выходом датчика амплитуды.
Первый формирователь импульсов может быть выполнен из операционного усилителя, третьего сумматора, двуханодного стабилитрона и конденсатора, включенного между общей шиной и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого подключен к выходу операционного усилителя, при этом двуханодный стабилитрон включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, а выход третьего сумматора соединен с выходом первого формирователя импульсов, вход которого соединен с первым входом третьего сумматора.
Второй формирователь импульсов может быть выполнен из усилителя-ограничителя, логическая схема может быть выполнена из логической схемы «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», а первый и второй коммутаторы - из перемножителей.
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 датчика амплитуды и второго сумматора, а также организация новых связей между функциональными элементами позволили расширить функциональные возможности устройства путем получения на его выходе сигнала треугольной формы, сдвинутого по отношению к входному сигналу треугольной формы на 90 электрических градусов, частота и амплитуда которого могут изменяться в широких пределах.
Изобретение поясняется структурной схемой фазовращателя сигнала треугольной формы (фиг. 1) и графиками (фиг. 2, фиг. 3), поясняющими принцип работы фазовращателя сигнала треугольной формы.
Фазовращатель сигнала треугольной формы (фиг. 1) содержит первый 1 и второй 2 формирователи импульсов, логическую схему 3, первый 4 и второй 5 коммутаторы, сумматор 6, датчик амплитуды 7 и второй сумматор 8, к выходу которого подключен первый вход второго коммутатора 5, выход которого соединен с выходом фазовращателя сигнала треугольной формы, входная шина которого соединена со вторым входом сумматора 6, первым входом датчика амплитуды 7, входом первого формирователя 1 и входом второго формирователя импульсов 2, выход которого соединен со вторым входом первого коммутатора 4 и вторым входом логической схемы 3, выход которой соединен с первым входом второго сумматора 8 и вторым входом датчика амплитуды 7, выход которого соединен с первым входом первого коммутатора 4, к выходу которого подключен первый вход сумматора 6, выход которого соединен со вторым входом второго коммутатора 5, при этом второй вход второго сумматора 8 соединен с шиной опорного напряжения.
Датчик амплитуды 7 может быть выполнен из вычислителя модуля 9, устройства выборки-хранения 10 и одновибратора 11, вход которого соединен со вторым входом датчика амплитуды 7, первый вход которого соединен с входом вычислителя модуля 9, к выходу которого подключен первый вход устройства выборки-хранения 10, второй вход которого подключен к выходу одновибратора 11, при этом выход устройства выборки-хранения 10 соединен с выходом датчика амплитуды 7.
Первый формирователь импульсов 1 может быть выполнен из операционного усилителя 12, третьего сумматора 13, двуханодного стабилитрона 14 и конденсатора 15, включенного между общей шиной и инвертирующим входом операционного усилителя 12, неинвертирующий вход которого соединен с первым входом третьего сумматора 13, второй вход которого подключен к выходу операционного усилителя 12, при этом двуханодный стабилитрон 14 включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 12, а выход третьего сумматора 13 соединен с выходом первого формирователя импульсов 1, вход которого соединен с первым входом третьего сумматора 13.
Второй формирователь импульсов 2 может быть выполнен из усилителя-ограничителя, логическая схема 3 может быть выполнена из логической схемы «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», а первый 4 и второй 5 коммутаторы - из перемножителей.
Фазовращатель сигнала треугольной формы работает следующим образом.
1
Периодический сигнал N(t) треугольной формы (фиг. 2, а) с амплитудным значением А, поступающий на входную шину фазовращателя, поступает также на вход первого формирователя импульсов 1 (фиг. 1), выполненного из операционного усилителя 12, сумматора 13, двуханодного стабилитрона 14 и конденсатора 15.
0
1
2
1
2
1
6
Коэффициент усиления (по постоянному току) операционного усилителя 12 может достигать очень больших значений (K≥1*10), поэтому соответствующие напряжения е(t) и e(t), присутствующие на инвертирующем и неинвертирующем входах, будут примерно равны, то есть е(t)≈е(t). На неинвертирующий вход операционного усилителя 12 поступает сигнал N(t), поэтому практически такой же сигнал будет присутствовать и на инвертирующем входе операционного усилителя 12.
0
2
1
Но при больших значениях K очень маленькой разницы в сигналах δ(t)=e(t)-e(t) достаточно для того, чтобы напряжение на выходе усилителя 12 стремилось очень быстро достичь напряжения насыщения операционного усилителя 12.
Z
0l
02
В силу того что в цепи обратной связи (между выходом и инвертирующим входом усилителя 12) включен двуханодный стабилитрон, то на нем формируется (фиг. 2, а) биполярный сигнал прямоугольной формы U(t) с напряжениями ограничения U и U, определяемыми параметрами двуханодного стабилитрона 14.
1
В этом случае на выходе операционного усилителя 12 формируется (фиг. 2, б) сигнал U(t), значения которого скачкообразно изменяются в моменты, соответствующие максимальным (экстремальным) значениям входного сигнала N(t). Таким образом, формирователь импульсов 1 представляет собой не что иное, как экстрематор, то есть устройство, вырабатывающее сигнал с резкоизменяющимися значениями в моменты, соответствующие экстремальным значениям входного сигнала экстрематора.
01
02
01
02
0
1
2
Примем, что напряжения стабилизации U и U двуханодного стабилитрона 14 равны, то есть U=U=U, тогда значения L и L (фиг. 2, б) формируемого сигнала U(t) будут равны
3
4
Уровни L и L, до которых происходит скачкообразное изменение сигнала U(t), определяются следующим образом
1
1
1
2
2
Для нахождения аналитических выражений сигналов N(t) и U(t) используем общее выражение для прямой y=kx+b, проходящей через две точки с координатами (x, y) и (x, y)
где х - текущее значение угла в радианах.
1
3
4
При х=π сигнал U(t) скачком изменяет свое значение (фиг. 2, б) с уровня L до значения L, а при х=2π (х=0) значения сигнала изменяются до уровня L.
1
1
2
2
Подставив в (3) координаты двух граничных точек [х=0, y=-А; х=π, y=А], получим
1
1
4
2
2
1
Подставив в (3) координаты граничных точек [х=0, y=L; х=π/2, y=L] для сигнала U(t), получим
На выходе сумматора 13 формируется (фиг. 2, в) сигнал
31
32
где k и k - коэффициенты передачи сумматора 13, соответственно, по первому и второму входам.
Подставив (4) и (5) в уравнение (6), получим
31
32
3
При k=k=k выражение (7) упрощается
1
Для второго интервала х∈[π;2π] уравнения для сигналов N(t) и U(t) примут следующие выражения
Подставив (8) и (9) в уравнение (6), получим
31
32
3
При равенстве коэффициентов k=k=k получим
1
Анализ (8) и (12) показывает, что на первом интервале x∈[0;π] сигнал K(х) принимает постоянное значение положительной полярности, не зависящее от текущего значения угла x, а на втором интервале х∈[π;2π] формируется постоянный сигнал отрицательной полярности (фиг. 2, в).
Для получения нормированных амплитудных значений , равных единице, необходимо выполнить условие
3
0
Из (13) следует, что нормированное значение  может быть получено при любых значениях напряжений двуханодного стабилитрона 14, при этом необходимо выполнить лишь одно условие, что k=1/U.
1
2
Таким образом, на выходе сумматора 13, а следовательно, и на выходе первого формирователя импульсов 1 образуется (фиг. 2, в) биполярный сигнал прямоугольной формы K(t), поступающий на первый вход логической схемы «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 3, на второй вход которой подается (фиг. 2, г) с выхода второго формирователя 2 биполярный сигнал прямоугольной формы K(t).
Формирователь импульсов 2 может быть выполнен, например, из усилителя-ограничителя, с нормированными амплитудными значениями, равными единице (фиг. 2, г).
На выходе логической схемы «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 3 формируется (фиг. 2, д) последовательность однополярных импульсов F(t) с нормированным амплитудным значением, равным единице.
1
Датчик амплитуды 7 выполнен из вычислителя модуля 9, устройства выборки-хранения 10 и одновибратора 11. На первый вход датчика амплитуды 7 поступает (фиг. 1) сигнал N(t), а на второй вход - сигнал F(t) с выхода логической схемы «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 3.
Одновибратор 11, входящий в состав датчика амплитуды 7, срабатывает по переднему фронту импульсов F(t), поступающих на его вход. На выходе одновибратора формируются (фиг. 2, е) узкие стробирующие импульсы D(t), поступающие на второй вход устройства выборки-хранения 10, на первый вход которого поступает (фиг. 2, ж) с выхода вычислителя модуля 9 сигнал M(t).
m
1
m
Стробирующие импульсы D(t) поступают на вход устройства выборки-хранения 10 в моменты времени, соответствующие максимальным значениям сигнала M(t). Таким образом, на выходе устройства выборки-хранения 10, а следовательно, и на выходе датчика амплитуды 7, формируется постоянное напряжение E, величина которого в точности равна амплитудному значению А входного сигнала N(t), то есть E=А.
1
Поскольку опрос устройства выборки-хранения 10 происходит дважды (фиг. 2, е) за период входного сигнала N(t), то датчик амплитуды 7 обладает повышенным быстродействием и может работать в диапазоне низких и инфранизких частот входных сигналов, что является его достоинством.
2
1
Формирование сигнала треугольной формы N(t), сдвинутого на 90 электрических градусов по отношению входного сигнала N(t), происходит (фиг. 3) следующим образом.
1
2
1
m
Амплитуда А входного сигнала N(t) может изменяться в широком диапазоне (фиг. 3, а), амплитуда биполярного сигнала прямоугольной формы K(t) всегда равна нормированному значению (фиг. 3, б), поэтому переключатель 4, выполненный, например, из умножителя, производит формирование сигнала R(t), амплитуда которого всегда будет равна (фиг. 3, в) амплитуде входного сигнала N(t), то есть E=А.
1
На входы первого сумматора 6 поступают сигналы N(t) и R(t), в результате суммирования которых на его выходе формируется (фиг. 3, г) сигнал
11
12
где k и k - коэффициенты передачи сумматора 6, соответственно, по первому и второму входам.
0
Второй сумматор 8 выполняет роль преобразователя уровня сигнала. На первый вход сумматора 8 поступает последовательность однополярных прямоугольных импульсов (фиг. 2, д), а на второй вход - постоянное опорное напряжение Е отрицательной полярности. На выходе сумматора 8 формируется (фиг. 3, д) сигнал
21
22
где k и k - коэффициенты передачи сумматора 8, соответственно, по первому и второму входам.
2l
22
0
При k=2, k=1 и Е=-1
1
на выходе преобразователя уровня сигнала будет сформирован биполярный сигнал прямоугольной формы S(t) с нормированными амплитудными значениями, равными единице.
2
1
2
1
С помощью коммутатора 5, который может быть выполнен, например, из перемножителя, формируется (фиг. 3, е) сигнал N(t)=S(t)·S(t), сдвинутый по фазе на 90 электрических градусов по отношению к входному сигналу N(t).
Использование предлагаемого изобретения позволит расширить функциональные возможности устройства путем получения на его выходе сигнала треугольной формы, сдвинутого по отношению к входному сигналу треугольной формы на 90 электрических градусов, частота и амплитуда которого могут изменяться в широких пределах.
Источники информации
1. А.с. СССР №1800386, G01R 25/04. Пархоменко Н.Г, Боташев Б.М. Устройство сдвига фазы на 90°, заявл. 24.01.1991, опубл. 07.03.1993. Бюл. №9.
2. А.с. СССР №822326, H03K 4/06. Авербух В.Д. Устройство для управления фазой напряжения треугольной формы, заявл. 29.07.1977, опубл. 15.04.1981. Бюл. №14.
3. А.с. СССР №1480087, Н03В 27/00. Бегалов В.А., Таланкин А.А., Черных И.В. Управляемый двухфазный генератор треугольных колебаний, заявл. 28.10.1987, опубл. 15.05.1989. Бюл. №18 (прототип).