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.
Устройство не может работать от источника однофазного напряжения, поскольку для формирования сигналов квазитреугольной формы необходим источник квадратурных сигналов. 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 [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, функциональный генератор [Патент РФ на ПМ №, заявка №2010137125/09 с приоритетом от 06.09.2010 г., положительное решение о выдаче на полезную модель от 11 октября 2010 г.], который содержит источник квадратурных сигналов, первый и второй вычислители модуля, первый и второй квадраторы, блок суммирования-вычитания, перемножитель, масштабирующий усилитель и формирователь биполярных прямоугольных импульсов, причем к первому выходу источника квадратурных сигналов подключены первый вход перемножителя, вход первого вычислителя модуля и вход первого квадратора, а ко второму выходу источника квадратурных сигналов подключены второй вход перемножителя, вход второго вычислителя модуля и вход второго квадратора, при этом первый, второй, третий и четвертый входы блока суммирования вычитания соединены с выходами, соответственно, первого вычислителя модуля, второго квадратора, второго вычислителя модуля и второго квадратора, масштабирующий усилитель включен между выходом перемножителя и первым выходом функционального генератора, второй и третий выходы которого соединены, соответственно, с выходом блока суммирования-вычитания и выходом формирователя биполярных прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом блока суммирования-вычитания.
Для формирования сигналов синусоидальной и треугольной формы необходим источник квадратурных сигналов, что ограничивает его применение.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей устройства путем получения от однофазного источника гармонического колебания сигналов синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы одинаковой частоты с высокими метрологическими характеристиками в условиях широкодиапазонного изменения частоты входного сигнала.
Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, заключается в расширении функциональных возможностей предлагаемого устройства за счет того, что в него дополнительно введены два вычитателя и блок извлечения квадратного корня, что позволило получить от однофазного источника гармонического колебания сигналы синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы одинаковой частоты с высокими метрологическими характеристиками в условиях широкодиапазонного изменения частоты входного сигнала.
Указанный технический результат достигается тем, что в функциональный генератор, содержащий источник гармонического колебания, квадратор, вычислитель модуля, масштабирующий усилитель, блок суммирования-вычитания и формирователь биполярных прямоугольных импульсов, в котором выход источника гармонического колебания соединен с входом квадратора и входом вычислителя модуля, выход которого соединен с первым входом блока суммирования-вычитания, выход которого соединен со вторым выходом функционального генератора и входом формирователя биполярных прямоугольных импульсов, выход которого соединен с третьим выходом функционального генератора, дополнительно введены первый и второй вычитатели и блок извлечения квадратного корня, причем шина опорного напряжения соединена с инвертирующим входом первого вычитателя, неинвертирующим входом второго вычитателя и вторым входом блока суммирования-вычитания, третий и четвертый входы которого подключены, соответственно, к выходу блока извлечения квадратного корня и выходу масштабирующего усилителя, вход которого соединен с выходом квадратора и инвертирующим входом второго вычитателя, выход которого соединен с входом блока извлечения квадратного корня, при этом к выходу масштабирующего усилителя подключен неинвертирующий вход первого вычитателя, выход которого соединен с первым выходом функционального генератора.
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».
Введение в предлагаемое устройство двух вычитателей, блока извлечения квадратного корня, а также организация новых связей между элементами позволило расширить функциональные возможности устройства и получить от однофазного источника гармонического колебания сигналы синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы одинаковой частоты с высокими метрологическими характеристиками в условиях широкодиапазонного изменения частоты входного сигнала.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где: фиг.1 - блок схема функционального генератора; фиг.2 - графики, поясняющие принцип работы функционального генератора.
Функциональный генератор (фиг.1) содержит источник гармонического колебания 1, квадратор 2, вычислитель модуля 3, масштабирующий усилитель 4, блок суммирования-вычитания 5, формирователь биполярных прямоугольных импульсов 6, первый 7 и второй 8 вычитатели, блок извлечения квадратного корня 9, при этом выход источника гармонического колебания 1 соединен с входом квадратора 2 и входом вычислителя модуля 3, выход которого соединен с первым входом блока суммирования-вычитания 5, выход которого соединен со вторым выходом функционального генератора и входом формирователя биполярных прямоугольных импульсов 6, выход которого соединен с третьим выходом функционального генератора, причем шина опорного напряжения соединена с инвертирующим входом первого вычитателя 7, неинвертирующим входом второго вычитателя 8 и вторым входом блока суммирования-вычитания 5, третий и четвертый входы которого подключены, соответственно, к выходу блока извлечения квадратного корня 9 и выходу масштабирующего усилителя 4, вход которого соединен с выходом квадратора 2 и инвертирующим входом второго вычитателя 8, выход которого соединен с входом блока извлечения квадратного корня 9, при этом к выходу масштабирующего усилителя 4 подключен неинвертирующий вход первого вычитателя 7, выход которого соединен с первым выходом функционального генератора.
Работа предлагаемого функционального генератора осуществляется следующим образом.
m
0
m
0
0
m
m
1
0
2
0
2
На выходе источника гармонического колебания 1 формируется (фиг.1) сигнал V(t)=U sin(ωt) с амплитудным значением U и частотой ω=2πf, который поступает на вход квадратора 2 и вход вычислителя модуля 3. Амплитудное значение U сигнала V(t) всегда может быть приведено к нормированному значению U=1 (фиг.2, а). В этом случае на выходе квадратора 2 формируется сигнал S(t)=sin(ωt), а на выходе вычислителя модуля 3 - модуль сигнала V(t), то есть S(t)=mod[sin(ωt)], который поступает на первый вход блока суммирования-вычитания 5.
3
3
0
оп
1
1
3
2
оп
1
2
1
2
2
Коэффициент передачи m масштабирующего усилителя 4 равен двум, поэтому на четвертый вход блока суммирования-вычитания 5 подается сигнал S(t) с удвоенным амплитудным значением S(t)=2sin(ωt). Величина опорного напряжения Е=1, поэтому на выходе первого вычитателя 7, а, следовательно, и на первом выходе функционального генератора будет сформирован сигнал N(t)=kS(t)-kE, где k и k - соответствующие коэффициенты передачи первого вычислителя 7 по неинвертирующему и инвертирующему входам. При k=k=1 получим:
1
0
то есть на первом выходе функционального генератора формируется гармонический сигнал косинусоидальной формы (фиг.2, г), частота которого в два раза превышает циклическую частоту входного сигнала f=2f.
4
3
оп
4
1
3
4
3
4
На выходе второго вычитателя 8 сигнал S(t)=kE-kS(t), где k и k - соответствующие коэффициенты передачи второго вычислителя 8 по неинвертирующему и инвертирующему входам. При k=k=1 получим:
5
0
то есть на выходе второго вычислителя 8 будет положительный сигнал, а на выходе блока извлечения квадаратного корня 9 получим модуль сигнала (фиг.2, б) косинусоидальной формы S(t)=mod[cos(ωt)], который поступает на третий вход блока суммирования-вычитания 5.
2
5
В результате суммирования сигналов S(t) и S(t) в блоке суммирования-вычитания 5 вырабатывается синтезированный сигнал
имеющий (фиг.2, б) форму сигнала квазитреугольной формы с S-образной характеристикой, как на участке прямого хода (линейно-нарастающее напряжение), так и на участке обратного хода (линейно-спадающее напряжение).
к
оп
3
Корректирующий сигнал S(t) вырабатывается в блоке суммирования-вычитания 5 в результате сложения двух сигналов - опорного E и S(t), которые поступают, соответственно, на второй и четвертый входы блока суммирования-вычитания 5:
синт
к
Таким образом, в блоке суммирования-вычитания 5 формируется также гармонический сигнал косинусоидальной формы, частота которого в два раза превышает частоту входного сигнала V(t). Необходимость формирования дополнительного сигнала косинусоидальной формы с удвоенной частотой заключается в том, что суммы положительных и отрицательных коэффициентов блока суммирования-вычитания 5 должны быть равны, то есть блок суммирования-вычитания 5 должен быть сбалансирован. При формировании синтезированного S(t) и корректирующего S(t) сигналов, и четном количестве входов балансировка блока суммирования-вычитания 5 автоматически выполняется.
2
синт
к
Выходной сигнал N(t) треугольной формы получается (фиг.2, в) в результате суммирования двух сигналов - синтезированного сигнала S(t) и сигнала коррекции S(t):
опт.
опт.
опт.
2
Коэффициенты передачи по первому и третьему входам выбираются равными α=α, а коэффициенты передачи по второму и четвертому входам должны рассчитываться из условия β=(1-α). При оптимальном выборе коэффициентов α=1,2612 и β=0,2612 на выходе блока суммирования-вычитания 5 формируется сигнал N(t), с частотой, равной удвоенному значению частоты входных сигналов (фиг.2, г), и, имеющий высокую линейность как на участке прямого хода (линейно-нарастающее напряжение), так и на участке обратного хода (линейно-спадающее напряжение).
2
3
С помощью формирователя 6 сигнал N(t) треугольной формы, поданный на его вход, превращается в сигнал N(t), форма которого - биполярные прямоугольные импульсы и частота которого равна удвоенной частоте квадратурных сигналов (фиг.2, г).
Использование предлагаемой полезной модели позволит расширить функциональные возможности устройства и получить от однофазного источника гармонических колебаний сигналы синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы одинаковой частоты с высокими метрологическими характеристиками при изменении частоты входного сигнала в широких пределах.