СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ РЕГЛАМЕНТИРУЕМЫХ КОЛЕБАНИЙ
METHOD OF GENERATING CONTROLLED VIBRATIONS

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и, в частности, к технике генерирования колебаний специальной формы и может быть использовано в радиоизмерительной технике и радиосвязи. Цуги (пачки колебаний) нашли широкое применение в радиотехнике. Цуги затухающих гармонических колебаний применяются, в частности, для настройки радиолокационной аппаратуры, в форме так называемого "звенящего контура".
Известен новый тип гармонических колебаний - регламентируемые колебания (РК), которые генерируются с помощью узлов аналоговой вычислительной техники (интеграторы, тригонометрические функциональные преобразователи), особенностью которых является строго регламентируемый характер изменения мгновенной фазы этих колебаний во времени [2]. Мгновенная фаза РК либо только убывает, либо только возрастает, а ее временная крутизна (частота) может управляться в широких пределах отрицательных и положительных значений, в том числе и быть равной нулю [3].
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ генерирования колебаний [2]. Способ выполняют следующим образом.
1. Осуществляют тригонометрическое преобразование диапазона входных напряжений в выходные напряжения, моделирующие один период косинусоидальной зависимости.
2. В качестве диапазона входных напряжений выбирают пилообразноубывающее напряжение с резким скачком во время обратного хода.
3. Управление знаком крутизны фазы генерируемых колебаний осуществляют инвертированием пилообразного напряжения.
Технической задачей, решаемой изобретением, является генерирование РК без применения узлов вычислительной техники с использованием возможностей классического LC контура, адекватной математической моделью которого является уравнение гармонического осциллятора [1].
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mtext> </mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mi>o</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
2
где Х - напряжение на конденсаторе C (В), 2h=r/L - коэффициент затухания контура (1/сек), r - сопротивление катушки индуктивности (Ом),
- квадрат частоты собственных колебаний в контуре (1/сек). Для решения поставленной задачи воспользуемся его общим решением (см. [1]).
<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mi>X</mi><mi>o</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>h</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>A</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mi>f</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mo>+</mo><mi>B</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><mi>f</mi><mi>t</mi></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msqrt><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt></mrow>
Оно состоит из двух сомножителей: экспонентно затухающего и незатухающего осциллирующего. В осциллирующем сомножителе, являющемся суммой двух колебательных незатухающих с течением времени t процессов с постоянными амплитудами А и В в вольтах, определяемых конкретным начальными условиями при t=0, т.е. Х(0)=Хо,  в сочетании с признаком колебательности, т.е. с мнимой единицей
имеет место математически четкая регламентация осциллирующих слагаемых по знаку частоты f этих колебаний, которая незначительно отличается от fo, т.к. h<<fo (см. [1]). В первом слагаемом мгновенная фаза ft со временем возрастает, т.е. частота положительная, а во втором - мгновенная фаза -ft с течением времени убывает, т.е. частота отрицательная. В связи с этим общепринятый переход к тригонометрическим функциям для решения поставленной задачи нецелесообразен, т.к. при этом теряется информация о знаке частоты, а для ее решения из (2) при t=0 получим два алгебраических уравнения
откуда найдем условия по выбору констант А и В через Хо и
Таким образом, для генерации РК только с положительной частотой (РК-плюс) следует обеспечить выбор константы В=0 за счет выполнения согласно (5) особой связи между начальными условиями
Тогда из (4) следует, что А=Хо. Аналогично для РК-минус следует обеспечить выбор константы А=0 за счет выполнения согласно (4) другой особой связи между начальными условиями
Тогда из (5) следует, что В=Хо.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Поскольку с прототипом общим совпадающим является прием по управлению знаком частоты генерируемых РК, то этот прием поставлен на первую позицию.
1. Управляют знаком частоты РК путем инвертирования знака 1-го источника напряжения Хо в режимах РК+ и РК-.
Готовятся особые начальные условия(ОНУ) путем следующих приемов.
2. Выбирают емкость конденсатора контура С* в виде последовательно включенных конденсаторов С1=С и С2=2С, где С - емкость конденсатора контура с одним конденсатором.
3. Выбирают 2-й источник регулируемым Х*, и 3-й источник - Хо, где Хо - 1-й источник.
4. Пропускают в индуктивности L через резистор Rт постоянные токи
Io1=-Xo/(Rт+r+R+) в режиме РК+ и Io2=Xo/(Rт+r+R-) в режиме РК-, где R+ и R- переменные резисторы для реализации особых связей (6), (7).
5. Эквивалентно заменяют начальное условие  по формуле  скачком тока в L в режиме РК+ I+=Xo/(Rт+r+R+), а в режиме РК- скачком I-=-Xo/(Rт+r+R-).
<mrow><mi>R</mi><mo>+</mo><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mi>h</mi><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>f</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mrow><mi>C</mi><mo>*</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>R</mi><mi>т</mi><mo>−</mo><mi>r</mi><mo>.</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
6. Реализуют (6) резистором R+ по формуле
<mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>h</mi><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>f</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mrow><mi>C</mi><mo>*</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>R</mi><mi>т</mi><mo>−</mo><mi>r</mi><mo>.</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
7. Реализуют (7) резистором R- по формуле
В исходном положении (ИП) в обоих режимах через две пары нормально замкнутых контактов прерывателя вводят подготовленные ОНУ в контур следующим путем.
8. Пропускают токи Io1, Io2 через 1 пару контактов.
9. Заряжают конденсаторы С1 и С2 через резистор Rз и 2 пару от X*.
По команде «пуск» (П) синхронно в обоих режимах обеспечивают следующие операции.
10. Подают на конденсатор С* начальное условие Х(0)=Хо.
11. Подают начальное условие  в виде толчков тока I+, I-.
12. Снимают с конденсатора С* одиночный цуг затухающих РК
<mrow><mi>Р</mi><mi>К</mi><mo>+</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mi>X</mi><mo>=</mo><mi>X</mi><mi>o</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>h</mi><mi>t</mi></mrow></msup><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mi>f</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mo>,</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>10</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Р</mi><mi>К</mi><mtext> </mtext><mo>−</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mi>X</mi><mo>=</mo><mi>X</mi><mi>o</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>h</mi><mi>t</mi></mrow></msup><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><mi>f</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mo>.</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>И</mi><mi>П</mi><mo>⇄</mo><mi>П</mi></mrow>
13. Повторяют цуг переключениями
прерывателя.
Сопоставительный анализ заявленного способа с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается всеми признаками, кроме первого. Такое существенное отличие объясняется странной постановкой и успешным решением задачи поиска РК в обычной радиотехнике, в частности, в классическом колебательном контуре, поскольку последние патенты по РК получены на элементах и узлах аналоговой вычислительной техники, которые радикально отличаются от элементов колебательного контура. Поэтому в предлагаемом изобретении имеется не просто «новизна», а «необыкновенная новизна».
Особенностью предлагаемого способа является математическая постановка и решение задачи по поиску РК. Именно математика уравнения гармонического осциллятора открыла путь к решению задачи и она же предотвратила наступление тупиковой ситуации в ее решении, показав нецелесообразность перехода к тригонометрическим функциям.
Анализ многих технических решений на предмет выявления в них похожих свойств не выявил таких решений. Очень отдаленно в способе [4]  применяется для создания импульсных толчков при автоподстройке амплитуды.
Вышеприведенный анализ позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 дан пример реализации предлагаемого способа. Устройство состоит из колебательного контура 1, пускового сдвоенного тумблера 2 и одинарного тумблера 3 выбора режимов генерации РК+ и РК- (прием 1). Симметричные по знаку источники напряжения ±Е обеспечивают работу устройства. Потенциометры 4, 5 формируют из источника Е напряжения X* 2-го источника и Хо 1-го источника. С движка потенциометра 6 снимается напряжение 3-го источника -Хо (прием 3).
<mrow><mover><mi>X</mi><mo>.</mo></mover><mi>o</mi></mrow>
Важнейшей частью предлагаемого устройства являются цепи подготовки и введения ОНУ. Их специфика заключается в необходимости одновременности(синхронности) введения ОНУ в момент пуска, что требуют особые условия связи (6), (7) между начальными условиями
и Xo. Реализация этих условий затрудняется невозможностью в типовом контуре и заряжать конденсатор и пропускать ток в индуктивности без разрыва цепи между ними. Введение такого разрыва вносит новые трудности (дребезг и сопротивление контактов и т.п.). Для преодоления этих трудностей вводится последовательная цепочка конденсаторов С1 и С2 в качестве конденсатора контура С*. При выборе С1=С, а С2=2С, где С - емкость эквивалентного конденсатора контура с одним конденсатором, на конденсаторе
С*=(2/3)С в момент пуска будет начальное напряжение Хо, т.к. по команде «пуск» конденсаторы С1, С2 переключаются из параллельных при зарядке напряжением
Х*=(2/9)Хо в последовательные (прием 2).
Подготовка ОНУ по : в индуктивности L пропускают постоянные токи
<mrow><mi>I</mi><mi>o</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>X</mi><mi>o</mi><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mi>т</mi><mo>+</mo><mi>r</mi><mo>+</mo><mi>R</mi><mtext></mtext><mo>+</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>I</mi><mi>o</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>X</mi><mi>o</mi><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mi>т</mi><mo>+</mo><mi>r</mi><mo>+</mo><mi>R</mi><mtext></mtext><mo>−</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>12</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
где R+, R- - переменные резисторы (прием 4), из которых при пуске формируются подобранные по величине толчки токов (прием 5)
<mrow><mi>I</mi><mo>+</mo><mo>=</mo><mi>X</mi><mi>o</mi><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mi>т</mi><mo>+</mo><mi>r</mi><mo>+</mo><mi>R</mi><mtext></mtext><mo>+</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>I</mi><mo>−</mo><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>X</mi><mi>o</mi><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mi>т</mi><mo>+</mo><mi>r</mi><mo>+</mo><mi>R</mi><mtext></mtext><mo>−</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>13</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Реализуют выполнение условия (6) подбором резистора R+ (прием 6), а условия (7) - подбором резистора R- (прием 7) (см. (8), (9)).
<mrow><mi>И</mi><mi>П</mi><mo>⇄</mo><mi>П</mi></mrow>
И последние подготовительные приемы ОНУ, гарантирующие реализацию (6), (7), выполняются в ИП путем подачи постоянных токов Io1, Io2 через 1-ю пару контактов (прием 8) и зарядку конденсаторов через резистор Rз и 2-ю пару контактов (прием 9). Таким образом, приемы 2-9 являются подготовительными, необходимыми для решения поставленной задачи. Решение задачи завершается прерыванием подачи ОНУ (приемы 10, 11) по команде П (тумблер 2) и снятием генерируемого цуга затухающего РК (прием 12). Повторение цугов осуществляют переключениями
прерывателя (прием 13).
Таким образом, техническая реализация предлагаемого способа проста, т.к. не требует активных элементов типа транзисторов. В этом у него преимущество по сравнению с [2, 3] и поэтому есть перспектива его применения на СВЧ до частот в районе 1 ГГц.
Список использованных источников
1. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний / под ред. Н.А.Железцова, М.: Физматгиз, 1958 г.
2. Патент РФ №2131144. Способ генерирования колебаний / Авт. изобр. Прокофьев E.B., G06G 7/26, Н06В 1/00, опубл. БИ №15, 1999 г.
3. Патент РФ №2294053. Генератор пилообразного напряжения // Авт. изобр. Прокофьев Е.В., Тюрин А.В., Колесников С.Н., Осенчугов А.Н., H03K 4/50, опубл. БИ №5, 2007 г.
4. АС СССР №959049. Способ формирования стабилизированного по амплитуде колебания в замкнутой колебательной системе / Авт. изобр. Алексеев А.С., Прокофьев Е.В. G05F 1/00, G06F 7/26, опубл. БИ №34, 1982 г.