ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР
FUNCTION GENERATOR

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в измерительной технике и автоматике.
Известно устройство [1], 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 S-образные характеристики, как на участке прямого хода (линейно-нарастающее напряжение), так и на участке обратного хода (линейно-спадающее напряжение) и имеет весьма низкую линейность [2], 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. Следует также учитывать, что для формирования «квазилинейного» сигнала треугольной формы требуются квадратурные гармонические сигналы, что в условиях перестройки частоты в широких пределах также вызывает определенные трудности.
Известно устройство [3], содержащее генератор сигналов треугольной формы, первый выход которого подключен к выходному зажиму релейной функции, а второй выход - к выходному зажиму линейной функции и к входу функционального преобразователя, выход которого соединен с выходным зажимом синусоидальной функции. В современных функциональных генераторах для формирования гармонического сигнала из сигнала треугольной формы наибольшее распространение получили диодные функциональные преобразователи, а также преобразователи с использованием ВАХ полевых транзисторов, в основе которых лежит принцип кусочно-линейной, либо кусочно-нелинейной аппроксимации напряжения синусоидальной формы. Однако весь спектр основных требований (малый коэффициент гармоник, отсутствие постоянной составляющей в сигнале синусоидальной формы, широкий диапазон рабочих частот, инвариантность к изменениям амплитуды сигнала треугольной формы, низкая точность воспроизведения функции синуса при изменении температуры и питающих напряжений и т.д.) достаточно сложно обеспечить при использовании подобных функциональных преобразователей [4].
Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип формирователь квадратурных сигналов [5], содержащий источник гармонического сигнала, два фазовращателя, каждый из которых выполнен из резистора, конденсатора и буферного каскада, выполненного из операционного усилителя, два формирователя стробирующих импульсов, каждый из которых выполнен из компаратора и одновибратора, два устройства выборки-хранения, два делителя, два ограничителя, два умножителя, два сумматора, два инвертора и компаратор, к выходу которого подключены вторые входы сумматоров и вход второго инвертора, выход которого соединен со вторыми входами умножителей, выходы которых соединены с соответствующими выходами формирователя квадратурных сигналов, при этом между выходом первого фазовращателя и вторым входом второго устройства выборки-хранения включены последовательно соединенные первый инвертор и второй формирователь стробирующих импульсов, между выходом второго фазовращателя и вторым входом первого устройства выборки-хранения включен первый формирователь стробирующих импульсов, первый ограничитель включен между выходом первого делителя и первым входом первого умножителя, между выходом второго делителя и первым входом второго умножителя включен второй ограничитель, компаратор подключен к выходу первого устройства выборки-хранения, а к источнику гармонического сигнала подключены входы фазовращателей, причем выход первого фазовращателя соединен с первым входом первого делителя и первым входом первого устройства выборки-хранения, к выходу которого подключен первый вход первого сумматора, а выход второго фазовращателя соединен с первым входом второго делителя и первым входом второго устройства выборки-хранения, к выходу которого подключен первый вход второго сумматора.
При подаче на вход устройства гармонического сигнала с амплитудным значением, изменяющимся в широких пределах, на первом и втором выходах устройства формируются квадратурные гармонические сигналы с частотой, равной частоте входного сигнала. В устройстве не формируются сигналы треугольной формы и биполярные сигналы прямоугольной формы, являющиеся необходимым атрибутом любого функционального генератора.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства путем получения на его выходах наряду с гармоническим сигналом, сигналов треугольной формы и биполярных сигналов прямоугольной формы, амплитудные значения которых остаются стабильными при изменении частоты и амплитуды входного сигнала в широких пределах.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей путем получения на его выходах наряду с гармоническим сигналом, сигналов треугольной формы и биполярных сигналов прямоугольной формы, амплитудные значения которых остаются стабильными при изменении частоты и амплитуды входного сигнала в широких пределах.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в функциональный генератор, содержащий источник гармонического сигнала, первый и второй компараторы, первый и второй одновибраторы, первое и второе устройства выборки - хранения, первый и второй делители, первый и второй сумматоры, инвертор и буферный каскад, к выходу которого подключены первые входы второго устройства выборки-хранения и второго делителя, при этом первый вход первого устройства выборки-хранения соединен с первым входом первого делителя, к выходу которого подключен первый выход функционального генератора, второй и третий выходы которого соединены с выходами, соответственно, второго и первого сумматоров, причем первый одновибратор включен между выходом первого компаратора и вторым входом первого устройства выборки-хранения, второй одновибратор включен между выходом второго компаратора и вторым входом второго устройства выборки-хранения, а инвертирующий вход второго компаратора соединен с общей шиной, дополнительно введены первый и второй управляемые интеграторы, третий одновибратор, первый и второй источники опорного напряжения, плюсовые зажимы которых соединены с общей шиной, а минусовые зажимы подключены ко вторым входам, соответственно, первого и второго сумматоров, при этом инвертор включен между выходом первого сумматора и первым входом первого управляемого интегратора, к выходу которого подключен инвертирующий вход первого компаратора, неинвертирующий вход которого соединен с входом буферного каскада и выходом второго управляемого интегратора, первый вход которого подключен к выходу первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом второго компаратора, неинвертирующий вход которого соединен с первым входом первого делителя и одним выводом однофазного генератора, второй вывод которого соединен с общей шиной, третий одновибратор включен между выходом второго компаратора и вторым входом второго управляемого интегратора, причем второй вход первого управляемого интегратора соединен с выходом второго одновибратора, выходы первого и второго устройств выборки-хранения соединены со вторыми входами, соответственно, первого и второго делителей, а к выходу второго делителя подключен первый вход второго сумматора.
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 предлагаемый функциональный генератор первого и второго управляемых интеграторов, третьего одновибратора и двух источников опорного напряжения, а также организация новых связей между функциональными элементами позволили расширить функциональные возможности устройства и получить на его выходах наряду с гармоническим сигналом, сигналы треугольной формы и биполярные сигналы прямоугольной формы, амплитудные значения которых остаются стабильными при изменении частоты и амплитуды входного сигнала в широких пределах.
Изобретение поясняется структурной схемной функционального генератора, изображенной на фиг. 1, и графиками, поясняющими принцип работы функционального генератора - на фиг. 2 и фиг. 3.
Функциональный генератор содержит источник гармонического сигнала 1, первый 2 и второй 3 компараторы, первый 4, второй 5 и третий 16 одновибраторы, первое 6 и второе 7 устройства выборки - хранения, первый 8 и второй 9 делители, первый 10 и второй 11 сумматоры, инвертор 12, буферный каскад 13, первый 14 и второй 15 управляемые интеграторы, первый 17 и второй 18 источники опорного напряжения, плюсовые зажимы которых соединены с общей шиной, а минусовые зажимы подключены ко вторым входам, соответственно, первого 10 и второго 11 сумматоров, при этом первый одновибратор 4 включен между выходом первого компаратора и вторым входом первого устройства выборки-хранения 6, второй одновибратор 5 включен между выходом второго компаратора 3 и вторым входом второго устройства выборки-хранения 7, третий одновибратор 16 включен между выходом второго компаратора 3 и вторым входом второго управляемого интегратора 15, инвертор включен между выходом первого сумматора 10 и первым входом первого управляемого интегратора 14, а буферный каскад 13 включен между выходом второго управляемого интегратора 15 и первым входом второго делителя 9, к выходу которого подключен первый вход второго сумматора 11, выход которого соединен со вторым выходом функционального генератора, первый и третий выходы которого соединены с выходами, соответственно, первого делителя 8 и первого сумматора 10, первый вход которого подключен к выходу второго компаратора 3, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, между которой и неинвертирующим входом второго компаратора 3 включен источник гармонического сигнала 1. К выходу первого сумматора 10 подключен первый вход второго управляемого интегратора 15, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого компаратора 2, инвертирующий вход которого подключен к выходу первого управляемого интегратора 14, второй вход которого соединен с выходом второго одновибратора 5, при этом первые входы первого устройства выборки-хранения 6 и первого делителя 8 соединены с неинвертирующим входом второго компаратора 3, к выходу буферного каскада 13 подключен первый вход второго устройства выборки-хранения 7, выход которого соединен со вторым входом второго делителя 9, а второй вход первого делителя 8 подключен к выходу первого устройства выборки-хранения 6.
Функциональный генератор работает следующим образом.
При подаче на неинвертирующий вход компаратора 3 гармонического сигнала
1
2
с амплитудным значением А и частотой ω=2πf на его выходе формируется (фиг. 2) последовательность видеоимпульсов К(t).
2
2
3
Одновибраторы 5 и 16, срабатывающие, соответственно, по задним и передним фронтам видеоимпульсов K(t), формируют соответствующие узкие стробирующие импульсы T и T.
1
Сумматор 10 и источник постоянного напряжения 17 образуют преобразователь уровня, на выходе которого формируются биполярные сигналы прямоугольной формы V(t), которые на первый вход второго управляемого интегратора 15 подаются непосредственно, а на первый вход первого управляемого интегратора 14 - через инвертор 12.
2
1
1
2
При поступлении сигналов V(t) и V(t) на входы, соответственно, первого 14 и второго 15 управляемых интеграторов, на их выходах начинают формироваться линейно изменяющие сигналы L(t) и L(t) соответственно.
2
3
1
2
Стробирующие импульсы T и T, поступающие на вторые входы управляемых интеграторов 14 и 15, производят сброс, то есть «привязку» к нулевому уровню соответствующих сигналов L(t) и L(t), что исключает смещение («сползание») этих сигналов из-за наличия различных дестабилизирующих факторов и, прежде всего, из-за дрейфа нулевого уровня самих интеграторов.
1
1
1
1
На выходе компаратора 2 формируется последовательность видеоимпульсов K(t). Положение стробирующего импульса T, который формируется с помощью одновибратора 4 по заднему фронту K(t), будет соответствовать (фиг. 2) максимальному (амплитудному) значению входного гармонического сигнала S(t).
1
1
m1
1
1
На первый вход устройства выборки-хранения (УВХ) 6 поступает сигнал S(t), а на второй вход - стробирующий импульс T, в момент поступления которого на выходе УВХ формируется постоянное напряжение E, величина которого практически равна амплитудному значению A входного сигнала S(t), поскольку коэффициент передачи УВХ близок к единице.
Делитель 8 осуществляет стабилизацию амплитуды, на выходе которого формируется сигнал
0
1
где А=1 - нормированное значение амплитуды сигнала N(t).
2
Формирование линейно изменяющегося сигнала треугольной формы N(t) происходит (фиг. 3) следующим образом.
2
Сигнал L(t) с выхода управляемого интегратора 15 через буферный каскад 13 подается на первые входы устройства выборки-хранения 7 и делителя 9. Буферный каскад 13 необходим для исключения влияния дополнительной нагрузки на неинвертирующий вход компаратора 2, вызванной входными цепями устройства выборки-хранения 7 и делителя 9.
2
Делитель 9, осуществляющий стабилизацию амплитуды сигнала L(t), формирует на своем выходе сигнал
20
m2
Поскольку (фиг. 3) максимальное значение сигнала L(t), то есть его амплитудное значение равно амплитудному значению E, то на выходе делителя 9 будет сформирован сигнал с нормированным значением амплитуды (фиг. 3), равным единице.
2
2
1
Сумматор 11 и источник постоянного напряжения 18 образуют преобразователь уровня, на выходе которого формируется (фиг. 3) симметричный сигнал треугольной формы N(t), амплитудное значение которого А будет оставаться стабильным при изменении амплитуды и частоты входного сигнала S(t) в широких пределах.
Предлагаемое изобретение может быть использовано в измерительной технике и автоматике в качестве функционального генератора, вырабатывающего на своих выходах стабильные сигналы синусоидальной, треугольной формы, а также биполярные сигналы прямоугольной формы.
Источники информации
1. Шустов М. Функциональный генератор. - Радиомир. 2010, №7, с. 26-27.
2. Лозицкий С. Схемотехнические САПР: возможности и проблемы эффективного использования. Схемотехника, 2007, №3, с. 38-40.
3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. - М.: Мир, 1982, с. 307, рис. 18.25.
4. Дубровин В.С., Никулин В.В. Способ построения управляемых функциональных генераторов. T-comm, 2013, с. 22.
5. Патент РФ №127554, Н03В 27/00. Дубровин B.C., Зюзин A.M. Формирователь квадратурных сигналов, заявл. 07.09.2012, опубл. 27.04.2013. Бюл. №12 (прототип).