УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОИМПУЛЬСОВ

Предлагаемая полезная модель относится к радиотехнике, системам связи и может быть использована в радиопередающих устройствах, радиолокации, системах защищенной связи, импульсной технике и т.п.
Известно устройство для формирования радиоимпульсов (Авторское свидетельство №1030948 SU, МПК H03B 11/00, Медведев Ю.А., Топорин В.И., Рыбынок В.А., опубликовано 23.07.1984 г. Бюл. №27). Это устройство содержит три резистора, три конденсатора, два варикапа, электронный ключ, усилитель, дополнительный усилитель, параллельный колебательный контур, включающий первый конденсатор и катушку индуктивности с отводом, дополнительную катушку индуктивности. Работает устройство следующим образом. При замкнутом ключе через дополнительную катушку индуктивности протекает постоянный ток. На выходе устройства радиоимпульс отсутствует. При открывании ключа через дополнительную катушку индуктивности постоянный ток прекращает течь. В этом случае, благодаря индуктивной связи между катушками индуктивности, в индуктивную катушку с отводом наводится импульс. Это приводит к возникновению синусоидальных колебаний в колебательном контуре. Синусоидальные колебания, проходя через усилитель, появляются на выходе устройства. При замыкании ключа через дополнительную катушку индуктивности вновь начнет протекать постоянный ток. Кроме этого через эту катушку начнет протекать и синусоидальный сигнал с выхода усилителя. Это приводит к тому, что на частоте синусоидальных колебаний в дополнительной катушке индуктивности возникает режим короткого замыкания, который обеспечивает прекращение колебательного процесса в колебательном контуре. Соответственно на выходе устройства формирование радиоимпульса также прекратится.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие двух резисторов.
К недостаткам аналога можно отнести следующее.
1. Колебательный процесс, возникающий в колебательном контуре, носит затухающий характер. Чем меньше добротность колебательного контура, тем быстрее колебания затухают. В связи с этим на выходе устройства форма радиоимпульса будет далекой от синусоидальной.
2. В дополнительной катушке индуктивности режим короткого замыкания возникнуть не может при наличии на ней сигнала, изменяющегося по синусоидальному закону. Однако, при наличии в противофазе сигналов, изменяющихся с одной и той же частотой, в дополнительной катушке индуктивности (например, фаза равна 180°) и катушке индуктивности с отводом (например, фаза равна 0°), может быть вызвано прекращение колебательного процесса в колебательном контуре. Но при этом, даже при небольшом рассогласовании фаз, что возможно из-за использования в устройстве варикапов, имеющих нелинейную зависимость емкости от приложенного напряжения, в колебательном контуре в паузах будет продолжаться колебательный процесс, искажающий форму радиоимпульса, например, увеличивая его длительность.
Известно устройство формирователя радиоимпульсов (Авторское свидетельство №1108613 SU, МПК H03K 3/80, Писарчук В.М., Голубева В.Г., опубликовано 15.08.1984 г. Бюл. №30). В этом устройстве имеется D-триггер, на D вход которого подается манипулирующий сигнал. При этом С вход D-триггера соединен с прямым выходом генератора, который формирует последовательность прямоугольных импульсов. Прямой выход D-триггера и инверсный выход генератора прямоугольных импульсов, соответственно, соединены с входами двухвходового логического элемента И. Выход логического элемента И соединен с одним из входов коммутатора. Инверсный выход D-триггера соединен с входом формирователя постоянного напряжения в паузах, выход которого соединен с вторым входом коммутатора. Выход коммутатора соединен с входом фильтра нижних частот, на выходе которого появляется выходной сигнал в виде радиоимпульса.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие двухвходового логического элемента И.
вх
ср
вх
ср
вх
ср
вх
ср
К недостатком аналога следует отнести следующее. В устройстве, с целью формирования радиоимпульсов, осуществляется преобразование последовательности прямоугольных импульсов в сигнал, похожий на синусоидальный, с использованием фильтра нижних частот. Однако при f>>f сигнал на выходе фильтра изменяется по линейному закону, при f=f сигнал на выходе фильтра наиболее близок к синусоидальному, в то же время он все же представляет собой последовательность импульсов, фронты которых изменяются по экспоненциальному закону, при f<<f сигнал на выходе фильтра представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с заваленными фронтами, где f - частота следования прямоугольных импульсов, a f - частота среза фильтра нижних частот. Таким образом, аналог позволяет сформировать радиоимпульс, однако, его форма будет далека от синусоидальной, что приводит к росту составляющих в спектре сигнала на выходе устройства.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является формирователь радиоимпульсов (Авторское свидетельство 1259478 A1 SU, МПК H03K 3/80, Глухов В.И., Глухова О.М., опубликовано 23.09.86, БИ №35). Формирователь радиоимпульсов включает ограничительный и согласующий резисторы, стабилитрон, конденсатор, источник синусоидальных сигналов, повторитель напряжения, два электронных ключа, где каждый из них включает по два резистора (первый и второй резисторы) и биполярный транзистор n-p-n-типа, инвертор. Первый вывод ограничительного резистора соединен с источником положительного напряжения питания. Второй вывод ограничительного резистора соединен с первым выводом согласующего резистора, первым выводом конденсатора, катодом стабилитрона и коллектором биполярного транзистора n-p-n-типа второго электронного ключа. Анод стабилитрона и второй вывод конденсатора соединены с общей шиной. Выход источника синусоидальных сигналов соединен с вторым выводом согласующего резистора и входом повторителя напряжения. Выход повторителя напряжения соединен с коллектором биполярного транзистора n-p-n-типа первого электронного ключа. На вход первого электронного ключа (первый вывод первого резистора) и на вход инвертора поступает сигнал управления, представляющий собой прямоугольные импульсы с длительностью, равной длительности формируемых радиоимпульсов. Выход инвертора соединен с входом второго электронного ключа. Выходы первого и второго электронных ключей, представляющие собой узлы соединения второго вывода второго резистора и эмиттера биполярного транзистора n-p-n-типа, соединены между собой и являются выходом формирователя радиоимпульсов. В электронных ключах второй вывод первого резистора, первый вывод второго резистора и база биполярного транзистора n-p-n-типа соединены между собой.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются биполярный транзистор n-p-n-типа, первый и второй резисторы, где второй вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора, источник синусоидальных сигналов и инвертор, на вход которого подается управляющий сигнал, представляющий собой поток прямоугольных импульсов.
Прототипу свойственны следующие недостатки.
1. В описании прототипа говорится, что «на управляющий вход первого управляемого электронного ключа поступает сигнал управления - прямоугольные импульсы с длительностью, равной длительности радиоимпульса». В соответствии с этим и, кроме этого, рассматривая структурную электрическую схему прототипа, можно заключить, что временные моменты появления на первом электронном ключе управляющих импульсов и синусоидального сигнала не синхронизированы. В этом случае у радиоимпульса для переднего и заднего фронтов фазы синусоиды будут неопределенными. Они могут изменяться от 0° до 360°. Это будет приводить к неоправданному увеличению спектрального состава радиоимпульса и соответственно к искажению формы радиоимпульса.
ст
ст.min
ст.man
ст.ср
пит
2. В противовес цели, которая оговорена в прототипе, в устройстве возможна сильная асимметрия радиоимпульсов относительно напряжения постоянного уровня. Рассмотрим это на примере. Пусть выбран стабилитрон КС191А с напряжением стабилизации U=9,1 В. Минимальный и максимальный токи стабилизации, соответственно, равны: I=3 мА; I=15 мА. (Терещук P.M., Терещук К.М., Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя. Киев: НАУКОВА ДУМКА, 1981. С. 172). Выберем средний ток стабилизации I=10 мА. Пусть напряжение питания устройства равно U=12 В. Тогда величина сопротивления ограничительного резистора будет равна:
.
согл
m
огр
согл
Величина сопротивления согласующего резистора должна быть значительно меньше входного сопротивления повторителя напряжения. Выберем величину сопротивления согласующего резистора такой же, как и сопротивление ограничительного резистора R=290 Ом. В этом случае, при амплитуде синусоидального сигнала на выходе источника этого сигнала, равной U=3 В, ток, протекающий через стабилитрон, будет стремиться к нулю. Ток от источника напряжения питания будет протекать по цепи R-R - выход источника синусоидального сигнала. В этом случае стабилизация постоянного уровня напряжения на входе повторителя напряжения будет нарушена. Это напряжение будет понижаться, что приведет к асимметрии синусоидального сигнала относительно постоянного уровня напряжения. При дальнейшем увеличении амплитуды синусоидального сигнала проблема асимметрии будет только возрастать. Это приведет к искажению формы радиоимпульса.
3. Биполярный транзистор (10), работающий в ключевом режиме, в открытом состоянии может находиться в режиме насыщения, что приведет к существенному снижению верхней частоты работы устройства и искажению формы радиоимпульса.
Задачей предлагаемого устройства является уменьшение искажения радиоимпульсов, а именно приближение формы радиоимпульса к форме синусоидального колебания при исключении асимметрии положительных и отрицательных полупериодов синусоиды относительно напряжения, имеющего нулевой уровень.
Технический результат достигается тем, что в формирователь радиоимпульсов, содержащий биполярный транзистор n-p-n-типа, первый и второй резисторы, где второй вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора, источник синусоидальных сигналов и инвертор, на вход которого подается управляющий сигнал, представляющий собой поток прямоугольных импульсов, введены компаратор, формирователь коротких импульсов, первый и второй логические элементы 2И-НЕ, RS-триггер, блок управления, биполярный транзистор p-n-p-типа и линия задержки, при этом неинвертирующий вход компаратора соединен с выходом источника синусоидального сигнала и с входом линии задержки, выход линии задержки соединен с первым выводом первого резистора, инвертирующий вход компаратора соединен с общей шиной, выход компаратора соединен с входом формирователя коротких импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого и второго логических элементов 2И-НЕ, управляющий сигнал подается на второй вход первого логического элемента 2И-НЕ, выход инвертора соединен с вторым входом второго логического элемента 2И-НЕ, выход первого логического элемента 2И-НЕ соединен с S входом RS-триггера, выход второго логического элемента 2И-НЕ соединен с R входом RS-триггера, выход RS-триггера соединен с входом блока управления, первый выход блока управления соединен с базой биполярного транзистора n-p-n-типа, второй выход блока управления соединен с базой биполярного транзистора p-n-p-типа, к узлу соединения второго вывода первого резистора и первого вывода второго резистора подключены эмиттеры биполярного транзистора n-p-n-типа и биполярного транзистора p-n-p-типа, и этот узел соединения будет выходом устройства, второй вывод второго резистора соединен с общей шиной, коллектор биполярного транзистора n-p-n-типа соединен с шиной положительного напряжения источника питания, а коллектор биполярного транзистора p-n-p-типа соединен с шиной отрицательного напряжения питания.
Анализ существенных признаков аналогов, прототипа и заявляемого технического решения выявил то, что в заявляемом техническом решении при низком уровне управляющего сигнала (логический «0») на базах биполярных транзисторов n-p-n-типа и p-n-p-типа поддерживаются низкие уровни напряжений, при которых транзисторы будут находиться в открытом состоянии, при этом синусоидальный сигнал на выход устройства проходить не будет, поскольку биполярные транзисторы n-p-n-типа и p-n-p-типа при подобном включении выполняют роль ограничителей напряжения. При высоком уровне управляющего сигнала (логическая «1») при появлении положительной полуволны синусоидального сигнала на неинвертирующем входе компаратора на выходе RS-триггера появится высокий уровень напряжения. Это обеспечит формирование на выходах блока управления напряжений, запирающих биполярные транзисторы n-p-n-типа и p-n-p-типа (транзисторы будут находиться в режиме отсечки). В этом случае на выход устройства будет проходить синусоидальный сигнал. При появлении низкого уровня управляющего сигнала (логический «0») биполярные транзисторы n-p-n-типа и p-n-p-типа перейдут в открытое состояние, при этом синусоидальный сигнал на выход устройства проходить не будет. Таким образом, на выходе устройства сформируется радиоимпульс, в котором передний и задний фронты будут повторять изменение синусоиды, а положительные и отрицательные полуволны синусоиды, являющейся высокочастотным гармоническим заполнением радиоимпульса, будут изменяться относительно постоянного уровня потенциала общей шины, величина которого равна 0 В.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема электрическая принципиальная устройства для формирования радиоимпульсов.
На фиг. 2 представлены диаграммы, поясняющие работу устройства для формирования радиоимпульсов.
упр
вых
п
п.
Устройство для формирования радиоимпульсов (фиг. 1) содержит источник синусоидального сигнала (13), компаратор (1), устройство для формирования коротких импульсов (2), инвертор (3), первый логический элемент 2И-НЕ (4), второй логический элемент 2И-НЕ (5), RS-триггер (6), устройство управления (7), линию задержки (12), первый резистор (8), второй резистор (11), биполярный транзистор n-p-n-типа (9) и биполярный транзистор p-n-p-типа (10). Выход источника синусоидального сигнала (13) соединен с неинвертирующим входом компаратора (1) и входом линии задержки (12). Инвертирующий вход компаратора (1) соединен с общей шиной. Выход компаратора (1) соединен с входом формирователя коротких импульсов (2), выход которого соединен с первыми входами первого логического элемента 2И-НЕ (4) и второго логического элемента 2И-НЕ (5). Управляющий сигнал u(t), представляющий собой последовательность прямоугольных импульсов, подается на вход инвертора (3) и на второй вход первого логического элемента 2И-НЕ (4). Выход инвертора (3) соединен с вторым входом второго логического элемента 2И-НЕ (5). Выход первого логического элемента 2И-НЕ (4) соединен с S входом RS-триггера (6). Выход второго логического элемента 2И-НЕ (5) соединен с R входом RS-триггера (6). Выход RS-триггера (6) соединен с входом устройства управления (7). Выход линии задержки (12) соединен с первым выводом первого резистора (8). Второй вывод первого резистора (8), первый вывод второго резистора (11), эмиттер биполярного транзистора n-p-n-типа (9) и эмиттер биполярного транзистора p-n-p-типа (10) соединены между собой. Этот узел соединения элементов является выходом устройства, на котором формируется поток радиоимпульсов u(t). Первый выход устройства управления (7) соединен с базой биполярного транзистора n-p-n-типа (9). Второй выход устройства управления (7) соединен с базой биполярного транзистора p-n-p-типа (10). Коллектор биполярного транзистора n-p-n-типа (9) соединен с шиной положительного напряжения питания +Е. Коллектор биполярного транзистора p-n-p-типа (10) соединен с шиной отрицательного напряжения питания - Е. Второй вывод второго резистора (11) соединен с общей шиной.
Работает устройство для формирования радиоимпульсов следующим образом.
С выхода источника синусоидального сигнала (13) сигнал (фиг. 2, а) поступает на неинвертирующий вход компаратора (1) и через линию задержки (12) к первому выводу первого резистора (8). Положительные и отрицательные полупериоды синусоидального сигнала, следующие от источника синусоидального сигнала (13), симметричны относительно потенциала общей шины, который равен 0 В. При появлении положительного полупериода синусоидального сигнала на неинвертирующем входе компаратора (1) на выходе компаратора (1) появляется скачок напряжения от нулевого уровня (логический «0») к высокому уровню (логическая «1») (фиг. 2, б). Этот скачок напряжения обеспечивает формирование короткого импульса на выходе формирователя коротких импульсов (2) (фиг. 2, г). При окончании действия положительного полупериода синусоидального сигнала на выходе компаратора (1) напряжение вновь переходит к нулевому уровню. Таким образом, на выходе компаратора (1) будет следовать поток прямоугольных импульсов, период следования которых равен периоду синусоидального сигнала (фиг. 2, б). Короткие импульсы, следующие с выхода формирователя коротких импульсов (2), поступают на первые входы первого (4) и второго (5) логических элементов 2И-НЕ.
упр
упр
01
02
01
02
01
02
BbIX
При условии, что u(t)=0 (логический «0) (фиг. 2, в), на выходе первого логического элемента (4) будет поддерживаться высокий уровень напряжения не зависимо от того, поступают на первый вход этого элемента импульсы с формирователя коротких импульсов (2) или нет (фиг. 2, д). На втором входе второго логического элемента 2И-НЕ (5) будет присутствовать высокий уровень напряжения (u(t) инвертируется в инвертере (3)). В этом случае импульсы с формирователя коротких импульсов (2) будут проходить через второй логический элемент 2И-НЕ (5) на R вход RS-триггера (6) (фиг. 2, е), сбрасывая его. На выходе RS-триггера (6) и, соответственно, на входе устройства управления (7) будет поддерживаться низкий уровень напряжения (фиг. 2, ж). Это приводит к тому, что на первом выходе устройства управления (7) присутствует напряжение V, а на втором выходе устройства управления (7) напряжение - V. Эти напряжения поддерживают биполярные транзисторы n-p-n-типа (9) и p-n-p-типа (10) в открытом состоянии. Напряжения V и - V на базах этих транзисторов выбирают таким образом, чтобы через них протекали равные токи (V - напряжение, падающее на прямосмещенном p-n-переходе база-эмиттер биполярного транзистора n-p-n-типа, a V - напряжение, падающее на прямосмещенном p-n-переходе база-эмиттер биполярного транзистора p-n-p-типа). Это позволяет поддерживать на втором резисторе (11) напряжение, равное 0 В. Кроме этого, нахождение транзисторов в открытом состоянии, препятствует прохождению синусоидального сигнала на выход устройства, поскольку транзисторы будут работать, как ограничители напряжения относительно эмиттеров. В этом случае радиоимпульс не формируется, а на выходе устройства присутствует сигнал u(t)=0 В (фиг. 2, з).
упр
упр
В случае, когда управляющий сигнал u(t) имеет высокий уровень напряжения (логическая «1») (фиг. 2, в), на выход первого логического элемента (4) будут проходить импульсы с формирователя коротких импульсов (2). Произойдет запись логической «1» в RS-триггер (6). На выходе этого триггера и на входе устройства управления (7) появится высокий уровень напряжения (фиг. 2, ж). На втором входе второго логического элемента 2И-НЕ (5) будет присутствовать низкий уровень напряжения (u(t) инвертируется в инвертере (3)). В этом случае импульсы с формирователя коротких импульсов (2) не будут проходить через второй логический элемент 2И-НЕ (5) на R вход RS-триггера (6) (фиг. 2, е). Соответственно сброс триггера отсутствует. Присутствие на выходе RS-триггера (6) и, соответственно, на входе устройства управления (7) напряжения высокого уровня (фиг. 2, ж), приводит к тому, что на выходах устройства управления (7) появляются напряжения, запирающие биполярные транзисторы n-p-n-типа (9) и p-n-p-типа (10) (транзисторы переходят в режим отсечки). Для нахождения биполярного транзистора n-p-n-типа в режиме отсечки должно выполняться условие:
m
1
где U - амплитуда синусоидального сигнала; -U - напряжение, прикладываемое к базе биполярного транзистора n-p-n-типа (9) при переводе его в режим отсечки.
Для нахождения биполярного транзистора p-n-p-типа в режиме отсечки должно выполняться условие:
,
2
где U - напряжение, прикладываемое к базе биполярного транзистора p-n-p-типа (10) при переводе его в режим отсечки.
При нахождении биполярных транзисторов n-p-n-типа (9) и p-n-p-типа (10) в режиме отсечки токи между эмиттерами и коллекторами этих транзисторов не протекают. В этом случае на выход устройства будет проходить синусоидальный сигнал, начнется формирование радиоимпульса (фиг. 2, з) амплитудой
,
1
2
где R - величина сопротивления первого резистора; R - величина сопротивления второго резистора.
При появлении низкого уровня управляющего сигнала (логический «0») появление коротких импульсов на выходе первого логического элемента 2И-НЕ (4) прекратится, а эти импульсы появятся на выходе второго логического элемента 2И-НЕ (5), что приведет к сбросу сигнала на выходе RS-триггера к нулевому уровню (логический «0») и соответственно прекращению формирования радиоимпульса.
В соответствии с описанием работы устройства для формирования радиоимпульсов следует отметить следующее.
1. Величина времени задержки линии задержки (12) выбирается такой, чтобы компенсировать время задержки прохождения сигнала управления от входного зажима до баз биполярных транзисторов n-p-n-типа (9) и p-n-p-типа (10).
2. При формировании радиоимпульса синусоидальный сигнал проходит через линейные элементы (элементы с постоянными параметрами) линия задержки - первый резистор - второй резистор, что исключает искажение формы радиоимпульса.
3. Временные моменты начала и окончания радиоимпульса отслеживаются разностью потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входными зажимами компаратора (от 1 мВ до 3 мВ). Это говорит о том, что при амплитуде синусоидального сигнала в несколько вольт, радиоимпульс начинает формироваться практически сразу при появлении положительного полупериода синусоидального сигнала и заканчивается при окончании отрицательного полупериода синусоидального сигнала. Таким образом, передний и задний фронты радиоимпульса повторяют изменение синусоиды, что позволяет сохранить форму радиоимпульса, близкую к синусоидальному сигналу.
4. Поскольку: во-первых, компаратор отслеживает изменение синусоидального сигнала относительно уровня с нулевым потенциалом; во-вторых, при открытых транзисторах на сопротивлении второго резистора поддерживается напряжение, равное 0 В, можно отметить, что положительные и отрицательные полупериоды радиоимпульса симметричны относительно нулевого уровня.
Таким образом, доказана практическая реализуемость заявляемого устройства для формирования радиоимпульсов.