Управляемый фазовращатель
CONTROLLED PHASE SHIFTER

Изобретение относится к устройствам, осуществляющим управление фазой колебания, и может быть использовано для построения фазозадающих устройств, применяемых в автоматике, приборостроении, телемеханических и информационно-измерительных системах.
Известны управляемые дискретные фазовращатели [1, 2], выполненные на основе устройств добавления и исключения импульсов и счетчика-делителя частоты. Недостатком таких фазовращателей является то, что сдвиг фазы в них обеспечивается не непрерывно, а с определенным, в некоторых случаях достаточно большим, шагом ±360°/n, где n - коэффициент деления делителя частоты.
Также существует цифроаналоговый фазовращатель [1], в котором результирующее колебание формируется путем суммирования двух ортогональных составляющих, амплитуды которых изменяются в соответствии с функциями Sin ϕ и Cos ϕ, где ϕ - устанавливаемый сдвиг фаз. Указанный фазовращатель строится на основе фазорасщепителя, коммутатора с соответствующей схемой управления, двух цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) и реверсивного счетчика. Здесь изменение фазы обеспечивается подачей импульсов на входы реверсивного счетчика, что приводит к тому, что управление фазой выполняется также как и в ранее рассмотренных фазовращателях не непрерывно, а дискретно.
Непрерывность управления фазой в широких пределах обеспечивается в схеме преобразователя [3] с раздельной регулировкой фазы и амплитуды, выполненного на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), в которой наряду с управляемым изменением фазы выходного колебания реализуется и управляемое изменение амплитуды выходного колебания. Основу данной схемы составляет система ФАПЧ, которая формирует выходное гармоническое колебание, фаза которого задается путем изменения фазы входного гармонического колебания за счет перестройки фазовращателя, установленного между входом преобразователя и входом фазового детектора (дискриминатора) системы ФАПЧ. Создание фазовращателя гармонического колебания, обеспечивающего изменение фазы в широких пределах без существенного изменения амплитуды и формы колебания, является достаточно сложным.
Аналогичный принцип вариации фазы, заключающийся в изменении фазы прямоугольного импульсного опорного колебания, подаваемого на вход системы ФАПЧ, по отношению к фазе входного колебания фазовращателя, реализован в устройстве [4]. Система ФАПЧ устройства [4] содержит в своем составе фазовый дискриминатор (ФД), выполненный на элементах цифровой логики и имеющий дискриминационную характеристику релейного типа. Такой фазовый дискриминатор получил название логический фазовый дискриминатор (ЛФД) [5, 6]. Система ФАПЧ, имеющая структуру системы ФАПЧ с ЛФД, позволяет формировать на своем выходе колебание с сохранением фазы опорного колебания [7, 8]. Поскольку опорное колебание системы ФАПЧ с ЛФД имеет импульсную форму с уровнями цифровой логики, изменение его фазы легко обеспечивается путем задержки входного импульсного колебания регулируемой линией задержки.
Недостатком устройства [4] является трудность обеспечения линейного закона управления фазой колебания, подаваемого на опорный вход системы ФАПЧ, а как следствие и выходного колебания всего устройства. Кроме того, в указанном устройстве линия задержки не имеет потенциального входа управления ее параметрами, что также является недостатком.
Цель изобретения - обеспечение линейного закона управления фазой выходного колебания в широком диапазоне под действием потенциального (в форме напряжения) управления.
Указанная цель достигается путем доработки устройства [4], выбранного в качестве прототипа. В [4] формирование фазового сдвига колебания реализуется для общего случая, когда входное и выходное колебания могут иметь любую форму. Необходимым условием является то, что колебания должны быть двуполярными с не более чем двумя переходами через ноль на периоде колебания. Если требуется обеспечить изменения фазы входного импульсного колебания, структуру устройства [4] можно упростить, исключив из ее состава схемы компараторов. Учитывая последнее, устройство [4] может быть представлено схемой (фиг. 1), в которой входное импульсное колебание подается на вход фазовращателя 7, выполненного в виде линии задержки. Выход фазовращателя подключается к входу системы ФАПЧ. В состав системы ФАПЧ, входят ЛФД 1, формирователь напряжения 2 с обнуляемыми интеграторами, обеспечивающими нелинейный закон изменения напряжения; астатическое звено, состоящее из пропорционального звена 3 и интегратора 4, сумматор напряжений 5, подстраиваемый генератор 6. Выходное колебание формируется на выходе подстраиваемого генератора 6.
Схема системы ФАПЧ с ЛФД (фиг. 1), являющаяся элементом схемы прототипа (на фигуре ограничена областью, очерченной пунктирной линией), достаточно подробно исследована в ряде публикаций [7-9]. Поэтому в структуре прототипа систему ФАПЧ можно представить одним блоком с названием система ФАПЧ с ЛФД. В этом случае прототип будет состоять из двух блоков (фиг. 2): системы ФАПЧ с ЛФД 1 и фазовращателя 2.
Для реализации цели изобретения в прототипе, содержащем систему ФАПЧ с ЛФД, следует изменить схему формирователя задержки входного импульсного колебания. Заявляемое устройство (фиг. 3), содержащее вход, систему ФАПЧ с ЛФД 1 и выход, дополняется входом управления фазой и дополнительными блоками: дифференцирующим устройством 2, источником напряжения 3, обнуляемым интегратором 4 и компаратором 5.
Вход заявляемого устройства подключается к входу дифференцирующего устройства (ДУ) 2, выход которого соединяется с входом сброса обнуляемого интегратора (ОИ) 4, сигнальный вход которого подключен к выходу источника напряжения 3. Выход обнуляемого интегратора 4 соединяется с первым входом компаратора напряжения 5, второй вход которого является входом управления фазой фазовращателя. Выход компаратора 5 подключается к опорному входу системы ФАПЧ с ЛФД 1, выход которой является выходом заявляемого устройства.
д
д
д
Дифференцирующее устройство 2 выделяет передний фронт входного импульсного колебания. Возможная схема реализации ДУ с использованием логической схемы показана на фиг. 4. На выходе дифференцирующего устройства формируется последовательность импульсов U с уровнем логической единицы, длительность которых определяется значениями величин конденсатора С и резистора R дифференцирующей цепи. Длительность импульсов подбирается такой, чтобы за время их действия выполнялся полный разряд конденсатора С обнуляемого интегратора, возможная схема (фиг. 5) которого может содержать операционный усилитель (ОУ), резистор R, конденсатор С и аналоговый ключ К.
ИН
Поскольку ОУ, используемый для построения ОИ, задействован в инверсной схеме включения, напряжение, подаваемое на интегратор от источника напряжения 3, должно иметь отрицательный знак. Также источник напряжения должен быть регулируемым, для того, чтобы можно было задавать скорость нарастания напряжения U интегратора.
ин
ϕ
ϕ
км
вх
ϕ
Линейно нарастающее напряжение U положительного знака, формируемое на ОИ, подается на первый вход (вход «+») компаратора напряжения 5 (фиг. 3), на второй вход (вход «-») которого подается напряжение U, определяющее значение величины фазового сдвига выходного колебания относительно входного колебания. Напряжение U должно иметь положительный знак. Величина его не должна превышать максимального значения напряжения, формируемого на выходе ОИ. В результате на выходе компаратора формируется импульсное колебание U с уровнями цифровой логики, передний фронт которого задержан (сдвинут) относительно переднего фронта входного колебания U на величину, определяемую напряжением U.
км
вых
км
км
Система ФАПЧ с ЛФД, используя колебание U в качестве опорного, формирует на своем выходе колебание U, синфазное U. Причем схема системы ФАПЧ с ЛФД обладает следующим свойством. Она не требовательна к длительности импульсов колебания U, подаваемых на ее вход. Необходимым условием является то, что минимальная длительность импульсов, поступающих на опорный вход ЛФД системы ФАПЧ, не должна быть меньше времени срабатывания дискриминатора [8]. При современном уровне развития микроэлектроники это значение составляет от единиц до десятков наносекунд.
Даже при форме импульсного колебания, поступающего на опорный вход системы ФАПЧ с ЛФД, отличной от меандра, на выходе системы ФАПЧ может быть сформировано импульсное колебание меандровой формы. В общем случае, если форма опорного колебания системы ФАПЧ с ЛФД отлична от меандра, при использовании в структуре системы управляемого генератора, формирующего колебание треугольной формы, и дополнительного компаратора, можно легко сформировать выходное колебание, аналогичное по форме с входным [8], но имеющее заданный схемой задержки входного импульсного колебания фазовый сдвиг.
вх
д
c
д
ин
н
н
н
Механизм работы заявляемого устройства поясняется временными диаграммами процессов, представленных на фиг. 6. Входное импульсное колебание U меандровой формы посредством ДУ преобразуется в последовательность U коротких импульсов длительностью Δt, формируемых в моменты появления прямых фронтов входного колебания. Этими импульсами, открывающими электронный ключ ОИ, производится обнуление (сброс) конденсатора обнуляемого интегратора. В паузах между импульсами U напряжение U положительного знака нарастает по линейному закону за счет влияния отрицательного напряжения U (фиг. 5), формируемого источником напряжения 3. Поскольку напряжение U имеет постоянную величину, его график на временной диаграмме фиг. 6 не показан. Изменяя значение напряжения U можно регулировать крутизну нарастания напряжения на обнуляемом интеграторе.
ϕ
ин
км
ϕ
ϕ
ϕ 1
км
вх
1
1
ϕ
ϕ
ϕ2
2
2
км
ϕ
Управляющее напряжение U, определяющее значение величины фазового сдвига выходного колебания относительно входного колебания, компаратором напряжения сравнивается с U. Результат сравнения отображается импульсным процессом U. На фиг. 6 показано, что при U малого уровня (U = U) величина задержки переднего фронта колебания U относительно переднего фронта входного колебания U не большое и составляет величину ϕ=2πt/T. С увеличением уровня U (U = U) растет и величина фазового сдвига ϕ=2πt/Т относительно переднего фронта входного колебания. Поскольку система ФАПЧ с ЛФД формирует колебание с синфазной привязкой к опорному колебанию U, на выходе управляемого фазовращателя формируется импульсное колебание, имеющее форму входного колебания, но обладающее по сравнению с ним фазовым сдвигом, определяемым напряжением U.
ин
ϕ
Поскольку напряжение U нарастает линейно, предложенный механизм вариации фазы позволяет обеспечивать изменение фазы выходного колебания относительно фазы входного колебания в диапазоне от значений, близких к 0, до значений, близких к 2π, в соответствии с линейным законом за счет внешнего управляющего напряжения U.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Цифровые системы фазовой синхронизации / М.И. Жодзишский, С.Ю. Сила-Новицкий, В.А. Прасолов и др.; Под ред. М.И. Жодзишского. - М.: Сов. радио, 1980. 208 с.
2. Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации. 2-е изд., доп.и перераб. / В.В. Шахгильдян, А.А. Ляховкин, В.Л. Карякин и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. М.: Радио и связь, 1989. - 320 с.
3. Жилин Н.С. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике. - Томск: Радио и связь, 1989. - 384 с.
4. 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.
5. Холопов С.И., Одиноков В.Ф. Сдвиг нуля дискриминационной характеристики логического фазового дискриминатора // Депонированные рукописи. 1135-св 87. ВИНИТИ, 1987. №12.
6. Одиноков В.Ф., Холопов С.И. Синтез логических фазовых дискриминаторов // Проектирование вычислительных машин и систем: межвуз. сб. науч. тр. - Рязань, РРТИ, 1988. С. 34-38.
7. Холопов СИ. Анализ релейной системы ФАПЧ с обнуляемыми интеграторами // Вестник РГРТУ, 2011. №4 (выпуск 38). - С. 50-54.
8. Холопов С.И. Исследование способа увеличения полосы захвата релейной системы фазовой синхронизации // Вестник РГРТУ. 2016. №3 (выпуск 57). - С. 9-15.
9. Холопов С.И. Расширение полосы захвата астатической системы фазовой синхронизации // Вестник РГРТУ, 2013. №3 (выпуск 45). - С 49-53.