ФОРМИРОВАТЕЛЬ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Полезная модель относится к области электроники и может быть использована в измерительной технике и автоматике.
Известно устройство (синусный преобразователь) [Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. М: Мир, 1982, рис.11.26], работающее на принципе кусочной аппроксимации и позволяющее получить квазисинусоидальное напряжение из треугольного сигнала. К недостаткам устройства следует отнести: высокий коэффициент искажений (0,42% при шести точках излома аппроксимирующей кривой с кусочно-постоянным наклоном); значительная погрешность при большой величине входного сигнала и значительная температурная погрешность формируемого сигнала. При увеличении количества точек излома подобные преобразователи становятся более точными, но и более сложными [Дворников О. Формирователь синусоидального напряжения. Современная электроника, 2008, №6, с.42-45]. Кроме того, подобные преобразователи обеспечивают высокую точность преобразования при определенной амплитуде входного сигнала, и, в условиях широкодиапазонного изменения входного сигнала, требуют применения нормирующих (стабилизирующих) устройств. Для преобразователей, работающих в диапазоне низких и инфранизких частот, стабилизаторы не обеспечивают, как правило, требуемой точности стабилизации входного сигнала. Для точной настройки таких преобразователей применяются прецизионные заграждающие фильтры, выделяющие основную гармонику. Для минимизации сигнала ошибки исследуются осциллограммы напряжения ошибки, полученные в результате итеративного (многократного) метода измерений, что является еще одним из недостатков подобных синусных преобразователей.
Наиболее близким устройством к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является, принятый за прототип, управляемый генератор квадратурных сигналов [Дубровин B.C. Генератор ортогональных сигналов. А.с. (СССР) №1504782 Н03В 5/26, БИ 1989, №32], который содержит колебательное звено, релейный элемент, управляемый фильтр и двусторонний ограничитель, причем релейный элемент включен между выходом колебательного звена и входом управляемого фильтра, двусторонний ограничитель включен между выходом управляемого фильтра и входом колебательного звена, а управляемые входы колебательного звена и управляемого фильтра соединены с управляющей шиной генератора ортогональных сигналов, при этом колебательное звено выполнено из двух интегрирующих усилителей, двух перемножителей и аналогового сумматора.
Устройство предназначено для формирования квадратурных гармонических сигналов.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей устройства и получение на его выходе гармонического сигнала с высокими метрологическими характеристиками, при подаче на вход сигнала треугольной формы, амплитуда и частота которого изменяются в широком диапазоне.
Технический результат от использования предлагаемого формирователя гармонических сигналов заключается в расширении функциональных возможностей за счет получения на его выходе гармонического сигнала с высокими метрологическими характеристиками, при подаче на вход сигнала треугольной формы, амплитуда и частота которого изменяются в широком диапазоне.
Указанный технический результат достигается тем, что в формирователь гармонического сигнала, содержащий управляемый фильтр, двусторонний ограничитель и усилитель, при этом выход управляемого фильтра соединен с входом усилителя, выход которого соединен с выходом формирователя гармонического сигнала, причем вход двустороннего ограничителя соединен с входом формирователя гармонического сигнала, дополнительно введен преобразователь «частота-напряжение», включенный между входом формирователя гармонического сигнала и управляющей шиной управляемого фильтра, вход которого подключен к выходу двустороннего ограничителя.
Управляемый фильтр выполнен из четырех однотипных последовательно соединенных фильтров нижних частот, управляющие входы которых соединены с управляющей шиной управляемого фильтра, вход и выход которого соединены, соответственно, с входом первого фильтра нижних частот и с выходом четвертого фильтра нижних частот.
Фильтр нижних частот выполнен из операционного усилителя, перемножителя, конденсатора и двух резисторов, причем конденсатор включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, неивертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход - с выходом перемножителя, второй резистор включен между инвертирующим входом операционного усилителя и выходом перемножителя, управляющий вход которого соединен с управляющим входом фильтра нижних частот, при этом первый резистор включен между инвертирующим входом операционного усилителя и входом фильтра нижних частот.
Двусторонний ограничитель выполнен из вычислителя модуля, пикового детектора, трех операционных усилителей, инвертора, трех резисторов и двух диодов, причем к входу двустороннего ограничителя подключены неинвертирующий вход первого операционного усилителя и вход вычислителя модуля, выход которого соединен с входом пикового детектора, последовательно соединенные второй и третий резисторы включены между выходом пикового детектора и общей шиной, к общей точке соединения второго и третьего резисторов подключены неинвертирующий вход второго операционного усилителя и вход инвертора, выход которого соединен с неивертирующим входом третьего операционного усилителя, при этом инвертирующие входы всех операционных усилителей подключены к выходной шине двустороннего ограничителя, к которой также подключены один вывод третьего резистора, анод первого диода и катод второго диода, свободный вывод третьего резистора, катод первого диода и анод второго диода соединены с выходами, соответственно, первого, второго и третьего операционных усилителей.
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 заявленной полезной модели. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует условию «новизна».
Отличительной особенностью предлагаемой полезной модели является введение в устройство преобразователя «частота-напряжение» и организация новых функциональных связей между элементами, что позволило получить на его выходе гармонический сигнал с высокими метрологическими характеристиками, при подаче на вход сигнала треугольной формы, амплитуда и частота которого изменяются в широком диапазоне.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где: фиг.1 - блок схема формирователя гармонического сигнала; фиг.2 - графики, поясняющие принцип работы формирователя гармонического сигнала.
Формирователь гармонического сигнала (фиг.1) содержит управляемый фильтр 1, двусторонний ограничитель 2, усилитель 3 и преобразователь «частота-напряжение» 4, при этом выход управляемого фильтра 1 соединен с входом усилителя 3, выход которого соединен с выходом формирователя гармонического сигнала, вход формирователя гармонического сигнала соединен с входом двустороннего ограничителя 2 и входом преобразователя «частота-напряжение» 4, к выходу которого подключена управляющая шина управляемого фильтра 1, причем выход двустороннего ограничителя 2 соединен с входом управляемого фильтра 1.
Управляемый фильтр 1 выполнен из четырех однотипных последовательно соединенных фильтров нижних частот 5-8, управляющие входы которых соединены с управляющей шиной управляемого фильтра 1, вход и выход которого соединены, соответственно, с входом первого фильтра нижних частот 5 и с выходом четвертого фильтра нижних частот 8.
Фильтр нижних частот 5 выполнен из операционного усилителя 9, перемножителя 10, конденсатора 11 и двух резисторов 12, 13, причем конденсатор 11 включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 9, неивертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход - с выходом перемножителя 10, второй резистор 13 включен между инвертирующим входом операционного усилителя 9 и выходом перемножителя 10, управляющий вход которого соединен с управляющим входом фильтра нижних частот 5, при этом первый резистор 12 включен между инвертирующим входом операционного усилителя 9 и входом фильтра нижних частот 5.
Двусторонний ограничитель 2 выполнен из вычислителя модуля 14, пикового детектора 15, трех операционных усилителей 16-18, инвертора 19, трех резисторов 20-22 и двух диодов 23, 24, причем к входу двустороннего ограничителя 2 подключены неинвертирующий вход первого операционного усилителя 16 и вход вычислителя модуля 14, выход которого соединен с входом пикового детектора 15, последовательно соединенные второй 21 и третий 22 резисторы включены между выходом пикового детектора 15 и общей шиной, к общей точке соединения второго 21 и третьего 22 резисторов подключены неинвертирующий вход второго операционного усилителя 17 и вход инвертора 19, выход которого соединен с неивертирующим входом третьего операционного усилителя 18, при этом инвертирующие входы всех операционных усилителей 16-18 подключены к выходной шине двустороннего ограничителя 2, к которой также подключены один вывод третьего резистора 20, анод первого диода 23 и катод второго диода 24, свободный вывод третьего резистора 20, катод первого диода 23 и анод второго диода 24 соединены с выходами, соответственно, первого 16, второго 17 и третьего 18 операционных усилителей.
Работа предлагаемого формирователя гармонического сигнала осуществляется следующим образом.
1
1
При подаче на вход формирователя сигнала S(t) треугольной формы (фиг.1) с амплитудным значением А (фиг.2) на выходе вычислителя модуля 14 формируется однополярный сигнал V(t), максимальное значение которого также равно значению А.
1
2
Для упрощения рассуждений примем за максимальное значение треугольного сигнала его нормированное значение А=1. Коэффициент передачи пикового детектора 15 практически равен единице, поэтому постоянное напряжение на выходе пикового детектора будет в точности равно амплитудному значению А входного сигнала S(t), то есть V(t)=А=1.
1n
1
Амплитудные значения U сигнала треугольной формы S(t) определяются известным соотношением:
где n - номер гармоники.
11
13
13
11
Амплитуда первой гармоники U=0,811, амплитуда третьей - U=0,09. Из (1) следует, что амплитудные значения высших гармонических убывают обратно пропорционально квадрату номера гармоники, поэтому коэффициент искажений будет определяться, в первую очередь, самой сильной третьей гармоникой U, доля которой составляет примерно 11% от основной первой гармоники U.
1
2
огр1
огр2
Операционные усилители 16-18, резистор 20 и диоды 23, 24 образуют двусторонний управляемый ограничитель входного сигнала S(t), который поступает на неинвертирующий вход первого операционного усилителя 16. На выходе двустороннего ограничителя 2 формируется (фиг.2) сигнал S(t) трапецеидальной формы с амплитудными значениями ±γ, которые определяются значениями управляющих напряжений E и E.
22
21
22
огр1
2
огр2
2
Второй 21 и третий 22 резисторы образуют нормирующий делитель, коэффициент передачи которого γ=R/(R+R). Таким образом, на неинвертирующий вход второго операционного усилителя 17 будет подано положительное напряжение ограничения E=γ V(t)=γ, а на неинвертирующий вход третьего операционного усилителя - отрицательное напряжение ограничения E=-γ V(е)=-γ, поскольку усилитель 19 является инвертирующим с коэффициентом передачи равным минус единица.
2n
2
Амплитудные значения U сигнала трапецеидальной формы S(t) определяются с помощью формулы
22
21
2
23
21
25
25
21
При значении коэффициента γ=2/3, то есть при R=2R в сигнале S(t) будет полностью подавлена третья гармоника U=0. Амплитудные значения первой (n=1) и пятой (n=5) гармоник составят соответственно: U=0,702; U=0,028. В этом случае коэффициент искажений будет определяться, в первую очередь, уже пятой гармоникой U, доля которой составляет примерно 4,0% от основной первой гармоники U.
Дальнейшая фильтрация осуществляется с помощью управляемого фильтра 1.
Каждая из четырех ячеек 5-8 управляемого фильтра 1 представляет собой фильтр нижних частот с передаточной функцией
12
13
у
13
у
12
13
где K=R/R - коэффициент передачи фильтра; Т=CR/(mE) - управляемая постоянная времени; R, R - сопротивления первого 12 и второго 13 резисторов; С - емкость конденсатора 10; p - комплексная переменная.
c
у
3
2
На частоте среза ω=1/T модуль коэффициента передачи , а фазовый сдвиг составит (без учета инверсии сигнала) угол φ=-π/4. Пройдя через четыре фильтра 5-8 амплитудное значение первой гармоники сигнала S(t) уменьшится в четыре раза по сравнению с первой гармоникой сигнала S(t), а ее фаза изменится на угол (-π).
4
1
Усилитель 3 выполняет две функции: нормирует амплитуду гармонического колебания S(t) и инвертирует фазу этого сигнала (фиг.2). Вычислитель модуля 14, пиковый детектор 5 и нормирующий делитель (резисторы 21 и 22) обеспечивают оптимальный уровень максимального значения у сигнала трапецеидальной формы, обеспечивая тем самым отсутствие третьей гармоники при изменении амплитуды сигнала треугольной формы S(t) в широком диапазоне.
1
1
2
При изменении частоты входного сигнала треугольной формы S(t) происходит изменение и частоты первой гармоники f сигнала трапецеидальной формы S(t).
Фазовый сдвиг управляемого фильтра нижних частот определяется выражением:
у
у
где T=Т/(mE) - управляемая постоянная времени фильтра; Т - постоянная времени; m - масштабный коэффициент.
Для обеспечения постоянного фазового сдвига (инвариантного по отношению к изменяющейся частоте) необходимо выполнить следующее условие:
у
1
На выходе преобразователя «частота-напряжение» 4 сигнал E будет изменяться пропорционально частоте f входного сигнала S(t):
f
где k - коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами преобразователя 4.
С учетом формулы (6) условие (5) автоматически выполняется при любых значениях частоты формируемых сигналов
c
у
1
Преобразователь «частота-напряжение» 4 позволяет сохранять постоянные фазовые сдвиги и амплитудные значения сигналов в фильтрах нижних частот 5-8, поскольку произведение ω Т остается постоянным при изменении частоты входного сигнала S(t) в широких пределах.
Использование предлагаемой полезной модели позволит расширить функциональные возможности устройства и получить на его выходе гармонический сигнал с высокими метрологическими характеристиками, при подаче на вход сигнала треугольной формы, амплитуда и частота которого изменяются в широком диапазоне.