Функциональный преобразователь с регулировкой амплитуды и фазы выходного колебания
FUNCTION TRANSDUCER WITH CONTROL OF AMPLITUDE AND OUTPUT OSCILLATION PHASE

Изобретение относится к устройствам, формирующим электрическое колебание, закон изменения которого отличается от закона изменения входного колебания, и может найти применение в автоматике, приборостроении, телемеханических, информационно-измерительных системах, синтезе сигналов специальной формы.
Известны функциональные преобразователи [1-3], формирующие периодические синусоидальные (косинусоидальные) колебания, а также колебания отличные от синусоидальных (прямоугольные, треугольные, пилообразные), на основе периодических двуполярных колебаний, форма которых отличается от формы выходного колебания. Недостатком их является низкая стабильность преобразования, поскольку формируемые колебания не синхронизируются входными.
Существуют функциональные преобразователи [4-6], в которых при формировании выходного колебания обеспечивается его автоподстройка к входному колебанию. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство [6], в котором на основе периодического двуполярного колебания одной формы создается двуполярное колебание другой формы, причем оба колебания имеют одну и ту же частоту. Для синхронизации входного и выходного колебаний в устройстве применяется астатическая система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), обеспечивающая высокую точность фазовой синхронизации входного и выходного колебаний. Кроме того, указанное устройство позволяет регулировать фазовый сдвиг выходного колебания относительно входного в диапазоне [0,2π] с разрешающей способностью, обеспечиваемой аналоговым элементом управления фазой.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя за счет введения дополнительной регулировки амплитуды выходного колебания. Регулирование амплитуды может потребоваться, например, при построении фазовращателей, в которых требуется выполнять раздельную независимую регулировку фазы и амплитуды выходного колебания [5, стр. 21].
Указанная цель достигается в устройстве [6], выбранном в качестве прототипа, содержащем кольцо ФАПЧ, состоящее из логического фазового дискриминатора (ЛФД); формирователя двуполярного напряжения с нелинейным законом изменения; фильтрующего звена, реализованного в виде параллельно включенных интегратора и пропорционального звена; подстраиваемого генератора, создающего двуполярное колебание требуемой формы с двумя переходами через нулевой уровень на периоде повторения колебания. Для применения ЛФД входное и выходное двуполярные колебания преобразуются в однополярные прямоугольные колебания с помощью компараторов с нулевым уровнем порога. В прототипе элемент задержки (линия задержки), позволяющий обеспечить реализацию заданного фазового сдвига выходного колебания относительно опорного, устанавливается во входной цепи (на опорном входе ЛФД). При этом увеличение значения задержки Δt опорного колебания линией задержки (ЛЗ) приводит к изменению разности фаз выходного колебания относительно опорного на периоде повторения в диапазоне от 0 до -2π. То есть положительное изменение величины задержки Δt вызывает отрицательное изменение разности фаз Δϕ<0 между подстраиваемым и опорным колебаниями.
Поскольку на основе одного опорного колебания можно создать несколько выходных колебаний с разными формами (законами изменения) колебаний и различными фазовыми сдвигами относительно опорного, линию задержки, обеспечивающую формирование заданного фазового сдвига, рациональнее разместить на входе ЛФД, на который подается формируемое колебание, преобразованное компаратором с нулевым порогом сравнения. При этом положительное изменение величины задержки Δt ЛЗ будет вызывать соответствующе положительное изменение разности фаз Δϕ≥0 подстраиваемого и опорного колебаний на периоде повторения в диапазоне от 0 до 2π.
Структура заявляемого устройства представлена на фиг. 1 и содержит следующие узлы: логический фазовый дискриминатор 1, формирователь двуполярных нелинейных управляющих напряжений 2, астатическое звено, состоящее из интегратора 3 и пропорционального звена 4, сумматор напряжений 5, подстраиваемый генератор 6, компараторы напряжений с нулевым порогом сравнения (преобразователи двуполярного напряжения в однополярное напряжение прямоугольной формы) 7 и 8, линию задержки 9 и регулятор уровня напряжения 10.
вх
оп
г
вых
вых
пр
пр
п
Опорное двуполярное напряжение U подается на вход первого преобразователя 7 двуполярного напряжения в однополярное прямоугольное с уровнями цифровой логики, выходное напряжение U которого подается на опорный вход ЛФД 1. Выходы ЛФД 1 подключены к входам формирователя нелинейных управляющих напряжений 2, выход которого соединен с входами интегратора 3 и пропорционального звена 4. Механизм работы формирователя 2 рассмотрен в [6, 7]. Выходы узлов 3 и 4 подключены к входам сумматора напряжения 5, выходной сигнал которого используется в качестве управляющего для подстраиваемого генератора (ПГ) 6. Выходное напряжение U ПГ 6 подается на вход регулятора напряжения 10, выход которого используется в качестве выхода функционального преобразователя. Выходное колебание U, амплитуда которого изменяется регулятором напряжения 10, поступает на вход второго преобразователя 8, который изменяет форму двуполярного периодического колебания U на однополярную прямоугольную U с уровнями цифровой логики. Далее колебание U, задержанное ЛЗ 9 и представленное в виде U, поступает на второй вход ЛФД 1.
вх
оп
вх
к
Механизм работы заявляемого устройства поясняется временными диаграммами процессов, представленных на фиг. 2. Входное двуполярное напряжение U прямоугольной формы (в принципе форма входного напряжения может быть произвольной, необходимым условием является то, что колебание должно быть двуполярным и иметь два перехода через нулевой уровень на периоде повторения), имеющее период повторения Г, подается на вход «+» преобразователя (компаратора) напряжения 7, на втором входе «-» которого устанавливается нулевой уровень напряжения. В результате на выходе компаратора 7 формируется однополярное прямоугольное напряжение U, задержанное относительно U на время tсрабатывания компаратора.
A
Предлагаемое устройство позволяет выполнять независимые регулировки фазы Δϕ и амплитуды U выходного колебания, не влияющие на точность подстройки, обеспечиваемую кольцом ФАПЧ. Для упрощения анализа форма выходного колебания выбрана двуполярной треугольной.
вых
вх
вых
к
А
Для анализа поведения предлагаемого устройства рассмотрим сначала процесс регулирования амплитуды U при нулевом фазовом рассогласовании Δϕ=0 (Δt=0) входного U и формируемого колебаний U и одинаковой задержке t колебаний преобразователями формы колебаний 7 и 8, а затем изменение Δϕ≠0 при установленном (заданным стабильным) значении U.
оп
п
пр
оп
пр
вх
вых
Так как кольцо ФАПЧ обеспечивает синхронизацию колебаний U и U с фазовой ошибкой Δϕ=0 [7], при отсутствии задержки колебания U, элементом ЛЗ (Δt=0) колебания U и U (а, следовательно, U и U) также не будут иметь фазового рассогласования.
A
вых
у
у
n
m
n
m
Для того чтобы обеспечивать регулировку уровня U (фиг. 2) выходного колебания U регулятор напряжения 10 (фиг. 1) можно выполнить путем последовательного включенных делителя напряжения с коэффициентом передачи 0<n≤1 и усилителя напряжения на операционном усилителе с коэффициентом усиления m≥1. В этом случае общий коэффициент усиления К РН будет определяться как К=mn. Возможный вариант построения регулятора напряжения показан на фиг. 3, где n=R/(R+R) и m=1+R/R. Резисторы с сопротивлениями R и R выполнены регулируемыми.
а
г
вх
вых
вых
вх
Задержка t колебания U в регуляторе напряжения 10 (фиг. 2) на точность подстройки U и U влияния не оказывает, поскольку выходное напряжение снимается с выхода РН. В этом случае точность подстройки колебания U относительно U зависит от задержек элементов 8 (7) и 9, стоящих между вторым входом ЛФД и выходом устройства. Для рассматриваемого случая задержка Δt колебания элементом 9 условно принята равной 0.
A
вых
пр
вых
вых
вых
пр
Изменение амплитуды U (фиг. 2) выходного колебания U на точность подстройки фазы также влияние не оказывает, поскольку за РН 10 (фиг. 1) установлен компаратор (преобразователь 8), формирующий однополярное прямоугольное колебание U из U. Изменение амплитуды колебания напряжения U (за исключением случая U=0) не изменяет формы колебания U, формируемого на выходе преобразователя 8.
Далее рассмотрим влияние элемента задержки 9 (фиг. 1) на величину фазового рассогласования входного и выходного колебаний. Поскольку линия задержки 9 осуществляет задержку колебания с уровнями цифровой логики, в простейшем случае она может быть реализована на RC-цепочке со стабильными значениями сопротивления R и емкости С.
к
а
вх
вых
к
a
пр
вых
п
оп
пр
оп
вх
оп
вых
пр
к
вых
вх
Так как задержка t колебаний элементами 7 и 8 (в случае равенства этих задержек) и задержка t элементом 10 (фиг. 1) не оказывают влияния на точность подстройки U и U, во временных диаграммах (фиг. 4), поясняющих работу предлагаемого устройства, примем их равными нулю (t=0, t=0). Это упростит анализ работы предлагаемого устройства при наличии задержки колебания U (а следовательно и U) линией задержки 9 (фиг. 1) на величину Δt≠0. Задержанное колебание U посредством кольца ФАПЧ с ЛФД будет точно (без фазовой ошибки) синхронизировано с U. В результате колебание U будет опережать колебание U на время Δt. Так как принято, что задержки между колебаниями U и U, а также между U и U равны [в анализе их считаем отсутствующими (t=0)], можно считать, что фазовый сдвиг колебания U относительно колебания U составит величину Δϕ=2πΔt/Т.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. А.с. №351222 МКИ G01G 7/26. Периодический функциональный преобразователь. / Р.В. Гончаров, Ю.С. Ращепляев. Заявлено 11.01.71. (№1616157.18-24); опубл. 13.09.72, Бюл. №27.
2. А.с. №769564 МКИ G01G 7/26. Функциональный преобразователь формы колебаний. / П.П. Глузман, А.И. Дворсон, В.В. Юдин, Э.Г. Башканский. Заявлено 11.09.78. (№2664785.18-24); опубл. 07.10.8, Бюл. №37.
3. Цифровые системы фазовой синхронизации / М.И. Жодзишский, С.Ю. Сила-Новицкий, В.А. Прасолов и др.; Под ред. М.И. Жодзишского. - М.: Сов. Роадио, 1980. - 208 с.
4. А.с. №1307467 МКИ G01G 7/26. Функциональный генератор с синхронизацией частоты. / В.П. Большаков. Заявлено 30.05.88. (№4431892/24-24); опубл. 07.02.90, Бюл. №5.
5. Жилин Н.С. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике. - Томск: Радио и связь, 1989. - 384 с.
6. Пат. РФ №2625047. МПК Н03В 27/00. Способ формирования периодических двуполярных колебаний с заданным фазовым сдвигом и устройство для его реализации / Холопов С.И. Заявлено 19.04.2016; опубл. 11.07.2017, Бюл. №20.
7. Холопов С.И. Анализ релейной системы ФАПЧ с обнуляемыми интеграторами // Вестник РГРТУ. 2011. №4 (выпуск 38). - С. 50-54.