ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области электроники и может быть использована в измерительной технике и автоматике.
Известно устройство [Шустов М. Функциональный генератор. -Радиомир. 2010, №7, с.26-27], содержащее источник квадратурных сигналов, два двухполупериодных выпрямителя, сумматор и формирователь биполярных прямоугольных импульсов, причем первый и второй выходы источника квадратурных сигналов соединены, соответственно, с входами первого и второго двухполупериодных выпрямителей, выходы которых соединены с входами сумматора, к выходу которого подключен формирователь биполярных прямоугольных импульсов, при этом первый, второй и третий выходы функционального генератора соединены, соответственно, с первым выходом источника квадратурных сигналов, с выходом сумматора и выходом формирователя биполярных прямоугольных импульсов.
Синтезированный сигнал треугольной формы имеет 5-образные характеристики, как на участке прямого хода (линейно-нарастающее напряжение), так и на участке обратного хода (линейно-спадающее напряжение) и имеет весьма низкую линейность [см. Лозицкий С. Схемотехнические САПР: возможности и проблемы эффективного использования. Схемотехника, 2007, №3, с.38-40], что существенно сужает область практического применения схемы. Кроме того, частота сигнала треугольной формы и биполярного сигнала прямоугольной формы вдвое превышает частоту исходного гармонического сигнала, что не позволяет при фиксированной настройке генератора получить одинаковые значения частот на всех выходах генератора.
Наиболее близким устройством к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является, принятый за прототип, управляемый генератор квадратурных сигналов [Патент РФ №_, заявка №2011100735/09 на полезную модель «Функциональный генератор», решение о выдаче патента от 10.02.2011 г.] который содержит два перемножителя, два интегратора, двухканальный стабилизатор амплитуды, два формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы, а также инвертор, причем входы первого и второго интеграторов подключены к выходам, соответственно, первого и второго перемножителей, управляющие входы которых соединены с управляющей шиной, к выходам первого и второго интеграторов подключены, соответственно, первый и второй вход двухканального стабилизатора амплитуды, при этом первый выход двухканального стабилизатора амплитуды соединен с первым выходом функционального генератора и входом первого формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы, выход которого соединен с информационным входом второго умножителя, второй выход двухканального стабилизатора амплитуды соединен со вторым выходом функционального генератора и входом второго формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы, выход которого соединен с входом инвертора, к выходу которого подключен информационный вход первого умножителя, третий и четвертый выходы функционального генератора соединены с выходами, соответственно, первого и второго формирователей биполярных сигналов прямоугольной формы.
Устройство предназначено для формирования сигналов только треугольной и прямоугольной формы.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей устройства и получение на его выходах квадратурных гармонических сигналов, а также квадратурных сигналов треугольной и прямоугольной формы с высокими метрологическими характеристиками.
Технический результат при использовании предлагаемого функционального генератора заключается в расширении функциональных возможностей за счет получения на выходах генератора квадратурных гармонических сигналов, а также квадратурных сигналов треугольной и прямоугольной формы с высокими метрологическими характеристиками.
Указанный технический результат достигается тем, что в функциональный генератор, содержащий два перемножителя, два интегратора, два стабилизатора амплитуды, два формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы, а также инвертор, причем входы первого и второго интеграторов подключены к выходам, соответственно, первого и второго перемножителей, управляющие входы которых соединены с управляющей шиной, при этом к выходам первого и второго интеграторов подключены входы, соответственно, первого и второго стабилизаторов амплитуды, выход первого стабилизатора амплитуды соединен с первым выходом функционального генератора и входом первого формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы, выход которого соединен с информационным входом второго умножителя, выход второго стабилизатора амплитуды соединен со вторым выходом функционального генератора и входом второго формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы, выход которого соединен с входом инвертора, к выходу которого подключен информационный вход первого умножителя, третий и четвертый выходы функционального генератора соединены с выходами, соответственно, первого и второго формирователей биполярных сигналов прямоугольной формы, дополнительно введен формирователь гармонических сигналов, первый и второй входы которого соединены с выходами, соответственно, первого и второго стабилизаторов амплитуды, причем управляющий вход формирователя гармонических сигналов соединен с управляющей шиной функционального генератора, пятый и шестой выходы которого соединены, соответственно, с первым и вторым выходами формирователя гармонических сигналов. Формирователь гармонических сигналов выполнен из двух вычислителей модулей, сумматора, двух ограничителей амплитуды, инвертора, двух управляемых фильтров нижних частот и двух нормирующих усилителей, выходы которых соединены, соответственно, с первым и вторым выходами формирователя гармонических сигналов, причем первый вход формирователя гармонических сигналов соединен с входом первого вычислителя модуля и первым входом первого ограничителя амплитуды, второй вход формирователя гармонических сигналов соединен с входом второго вычислителя модуля и первым входом второго ограничителя амплитуды, вторые входы первого и второго управляемых ограничителей амплитуды соединены с входом инвертора и с выходом сумматора, первый и второй вход которого соединены с выходами, соответственно, первого и второго вычислителей модулей, к выходу инвертора подключены третьи входы первого ограничителей амплитуды, при этом первый управляемый фильтр нижних частот включен между выходом первого ограничителя амплитуды и входом первого нормирующего усилителя, второй управляемый фильтр нижних частот включен между выходом второго ограничителя амплитуды и входом второго нормирующего усилителя, а управляющий вход формирователя гармонических сигналов соединен с управляющими входами первого и второго управляемых фильтров нижних частот.
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 предлагаемого устройства является введение формирователя гармонических сигналов, а также организация новых функциональных связей между элементами, что позволило расширить функциональные возможности устройства и получить на выходах функционального генератора квадратурные гармонические сигналы, а также квадратурные сигналы треугольной и прямоугольной формы с высокими метрологическими характеристиками.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где: фиг.1 - блок схема функционального генератора; фиг.2 - блок схема формирователя гармонических сигналов; фиг.3 - графики, поясняющие принцип работы функционального генератора; фиг.4 - графики, поясняющие принцип работы формирователя гармонических сигналов.
Функциональный генератор (фиг.1) содержит два перемножителя 1 и 2, два интегратора 3 и 4, два стабилизатора амплитуды 5 и 6, два формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы 7 и 8, инвертор 9 и формирователь гармонических сигналов 10, причем входы первого 3 и второго 4 интеграторов подключены к выходам, соответственно, первого 1 и второго 2 перемножителей, управляющие входы которых соединены с управляющей шиной, при этом к выходам первого 3 и второго 4 интеграторов подключены входы, соответственно, первого 5 и второго 6 стабилизаторов амплитуды, выход первого стабилизатора амплитуды 5 соединен с первым выходом функционального генератора и входом первого 7 формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы, выход которого соединен с информационным входом второго умножителя 2, выход второго стабилизатора амплитуды 6 соединен со вторым выходом функционального генератора и входом второго 8 формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы, выход которого соединен с входом инвертора 9, к выходу которого подключен информационный вход первого умножителя 1, третий и четвертый выходы функционального генератора соединены с выходами, соответственно, первого 7 и второго 8 формирователей биполярных сигналов прямоугольной формы, первый и второй входы формирователя гармонических сигналов 10 соединены с выходами, соответственно, первого 5 и второго 6 стабилизаторов амплитуды, управляющий вход формирователя гармонических сигналов 10 соединен с управляющей шиной функционального генератора, пятый и шестой выходы которого соединены, соответственно, с первым и вторым выходами формирователя гармонических сигналов 10.
Формирователь гармонических сигналов 10 выполнен из двух вычислителей модулей 11 и 12, сумматора 13, двух ограничителей амплитуды 14 и 15, инвертора 16, двух управляемых фильтров нижних частот 17 и 18 и двух нормирующих усилителей 19 и 20, выходы которых соединены, соответственно, с первым и вторым выходами формирователя гармонических сигналов 10, причем первый вход формирователя гармонических сигналов 10 соединен с входом первого вычислителя модуля 11 и первым входом первого ограничителя амплитуды 14, второй вход формирователя гармонических сигналов 10 соединен с входом второго вычислителя модуля 12 и первым входом второго ограничителя амплитуды 15, вторые входы первого 14 и второго 15 управляемых ограничителей амплитуды соединены с входом инвертора 16 и с выходом сумматора 13, первый и второй вход которого соединены с выходами, соответственно, первого 11 и второго 12 вычислителей модулей, к выходу инвертора 16 подключены третьи входы первого 14 и 15 ограничителей амплитуды, при этом первый управляемый фильтр нижних частот 17 включен между выходом первого ограничителя амплитуды 14 и входом первого нормирующего усилителя 19, второй управляемый фильтр нижних частот 18 включен между выходом второго ограничителя амплитуды 15 и входом второго нормирующего усилителя 20, а управляющий вход формирователя гармонических сигналов 10 соединен с управляющими входами первого 17 и второго 18 управляемых фильтров нижних частот.
Работа предлагаемого функционального генератора осуществляется следующим образом.
3
4
Перемножители 1 и 2, интеграторы 3 и 4, стабилизаторы амплитуды 5 и 6, формирователи биполярных сигналов прямоугольной формы 7 и 8, а также инвертор 9 образуют автоколебательную систему (фиг.1). В установившемся режиме на третьем и четвертом выходах функционального генератора устанавливаются периодические биполярные колебания S(t) и S(t) прямоугольной формы (фиг.3), амплитудные значения которых определяются параметрами, соответственно, первого 7 и второго 8 формирователей биполярных сигналов прямоугольной формы.
3
4
С выхода первого формирователя 7 сигнал S(t) на информационный вход второго перемножителя 2 подается непосредственно, а сигнал S(t) с выхода второго формирователя 8 подается на информационный вход первого перемножителя 1 через инвертор 9.
1
2
у
На выходах перемножителей 1 и 2 амплитудные значения сигналов V(t) и V(t) будут зависеть как от амплитуды сигналов на информационных входах этих перемножителей, так и от величины напряжения Е на управляющей шине генератора.
1
2
1
2
Под действием управляемых биполярных прямоугольных сигналов V(t) и V(t) на выходах интеграторов 3 и 4 формируются линейно-изменяющиеся напряжения N(t) и N(t), причем сигналы на выходах интегратора начнут изменяться в противоположную сторону при скачкообразных изменениях соответствующих биполярных сигналов.
Частота формируемых сигналов, как прямоугольных, так и линейно-изменяющихся может быть определена с помощью следующего выражения:
у
3
4
где f - частота формируемых сигналов; Е - величина управляющего напряжения; А - амплитудное значение сигналов S(t) и S(t); m - масштабный коэффициент умножителей 1 и 2; T - постоянная времени интеграторов 3 и 4.
1
2
10
20
1
2
В области низких и инфранизких частот, то есть при больших периодах формируемых сигналов, точность интегрирования понижается из-за влияния дестабилизирующих факторов, например, напряжения смещения. Для устранения подобного эффекта используются стабилизаторы амплитуды 5 и 6, которые не позволяют за время формирования низкочастотных сигналов N(t) и N(t) треугольной формы изменить их амплитудные значения. Амплитудные значения сигналов N(t) и N(t) на выходах стабилизаторов амплитуды 5 и 6, а, следовательно, и на соответствующих выходах функционального генератора в этом случае всегда будут приведены к нормированным значениям даже при изменении амплитудных значений сигналов N(t) и N(t) в широких пределах.
in
1
2
Амплитудные значения гармоник U сигналов треугольной формы S(t) и S(t) определяются с помощью известного соотношения:
где i - номер сигнала треугольной формы;
n - номера нечетных гармоник (n=1, 3, 5,…).
11
21
13
23
3
1
Амплитудные значения первых гармоник U=U=0,811 A, амплитуды третьих гармоник U=U=0,09 А. 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.
Существующие схемы формирования синусоидальных сигналов из сигналов треугольной формы и работающие на принципе кусочной аппроксимации [Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. М: Мир, 1982, рис.11.26] обладают рядом существенных недостатков: 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]. 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.
3
4
5
6
Поэтому для фильтрации сигналов трапецеидальной формы M(t) и M(t), то есть для получения гармонических сигналов синусоидальной S(t) и косинусоидальной S(t) формы используется управляемый формирователь гармонических сигналов 10.
Работа формирователя гармонических сигналов 10 (фиг.2) происходит следующим образом.
1
1
2
2
При подаче на первый вход формирователя 10 сигнала S(t) треугольной формы с амплитудным значением А на выходе вычислителя модуля 11 формируется (фиг.4,а) однополярный сигнал M(t), максимальное значение которого также равно значению А. Под воздействием сигнала S(t), поданного на второй вход формирователя 10, на его выходе также формируется (фиг.4,б) однополярный сигнал M(t) с амплитудным значением А.
1
2
0
1
2
1
0
a
При равенстве коэффициентов передачи сумматора 13 по первому и второму входу k=k==2/3 на выходе сумматора 13 будет сформирован (фиг.4,г) постоянный сигнал E(t)=(2/3)[M(t)+M(t)]=(2/3)А, а на выходе инвертора 16 - сигнал E(t)=-Е(t)=-(2/3) А.
0
1
1
2
3
4
3
4
а
Сигналы Е(t) и E(t) являются управляющими для ограничителей амплитуды 14 и 15, под действием которых на их выходах из входных сигналов S(t) и S(t) формируются сигналы трапецеидальной формы M(t) и M(t). Уровень ограничения определяется коэффициентом =2/3. Наличие сумматора 13 с одинаковыми коэффициентами передачи по входам, а также одного инвертирующего усилителя 16 с коэффициентом передачи, равным единице, позволяет получить одинаковые уровни ограничения трапецеидальных сигналов M(t) и M(t).
im
3
4
Амплитудные значения гармоник U сигналов треугольной формы М(t) и М(t)
а
3
4
33
43
31
41
35
45
5
1
3
4
При значении коэффициента =2/3 в сигналах M(t) и M(t) будут полностью подавлены третьи гармоники U=U=0. Амплитудные значения первых гармоник U=U=0,702 A, а третьих - U=U=0,028 А. В этом случае коэффициент искажений будет определяться, в первую очередь, уже пятой гармоникой U, доля которой составляет примерно 4% от основной первой гармоники U. трапецеидальных сигналов M(f) и M(f).
3
4
1
2
Вычислители модулей 11 и 12, сумматор 13 и инвертор 16 обеспечивают оптимальные уровни ограничения сигналов М(t) и M(t) трапецеидальной формы, обеспечивая тем самым отсутствие третьей гармоники при изменении амплитуды сигналов треугольной формы S(t) и S(t) в широком диапазоне.
3
4
Дальнейшая фильтрация трапецеидальных сигналов M(t) и M(t) осуществляется с помощью управляемых фильтров нижних частот 17 и 18.
Каждый из управляемых фильтров 17 и 18 состоит из четырех однотипных последовательно соединенных фильтров нижних частот с передаточной функцией
у
где К - коэффициент передачи отдельного фильтра; Т - управляемая постоянная времени; р - комплексная переменная.
c
у
c
3
4
2
На частоте среза ω=1/T модуль коэффициента передачи Н(ω)=К/, а фазовый сдвиг составит (без учета инверсии сигнала) угол φ=-π/4. Пройдя через четыре ячейки фильтра амплитудные значения первой гармоники сигналов М(t) и M(t) уменьшатся в четыре раза по сравнению с первой гармоникой сигнала S(t), а их фазы изменятся на угол -π.
5
6
Усилители 19 и 20 выполняют две функции: нормируют амплитуды гармонических колебаний M(t) и M(t), а также инвертируют фазы этих сигналов (фиг.4). На первом и втором выходах формирователя 10, а, следовательно, на пятом и шестом выходах функционального генератора формируются гармонические колебания синусоидальной (фиг.4,ж) и косинусоидальной (фиг.4,з) формы.
у
При изменении управляющего сигнала Е происходит пропорциональное изменение частоты f всех формируемых сигналов:
f
где k - коэффициент пропорциональности.
Фазовый сдвиг управляемого фильтра нижних частот определяется выражением:
у
у
где Т=Т/(mЕ) - 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
Поскольку частота f является (формула 5) функцией управляющего напряжения Е, то условие (7) автоматически выполняется при любых значениях частоты формируемых сигналов
c
у
5
6
При этом произведение ω Т=1 остается величиной постоянной, поэтому на выходах формирователя гармонических сигналов 10 при любых изменениях частоты будут стабильными амплитудные значения сигналов S(t), S(t) и их фазовые сдвиги.
1
2
3
4
5
6
Таким образом, на первом и втором выходах управляемого генератора формируются линейно-изменяющиеся сигналы S(t) и S(t), на третьем и четвертом выходах - прямоугольные биполярные сигналы S(t) и S(t), на пятом и шестом - гармонические сигналы синусоидальной S(t) и косинусоидальной S(t) формы, причем соответствующие пары сигналов будут сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90 электрических градусов.
Использование предлагаемой полезной модели позволит расширить функциональные возможности устройства и получить на выходах функционального генератора квадратурные гармонические сигналы, а также квадратурные сигналы треугольной и прямоугольной формы с высокими метрологическими характеристиками.