АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ АДДИТИВНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ СИГНАЛА ТРЕУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ

Полезная модель относится к области радиотехники и вычислительной техники и может быть использована в радиолокации, в преобразователях "напряжение-временной интервал, широтно-импульсных модуляторах, устройствах временной задержки и т.д.
Известно устройство [Шустов М.А. Аддитивный формирователь сигнала треугольной формы. - Радиотехника, 2003, №1, (стр.95 - Рис.1)], содержащее фазовращатель, два двухполупериодных выпрямителя и сумматор, на выходе которого формируется сигнал треугольной формы.
К недостаткам устройства относятся:
1. Формирователь работает только на фиксированной частоте, при которой обеспечивается фазовый сдвиг входного синусоидального сигнала на 90°. При переходе на другую частоту необходима перенастройка параметров, обеспечивающая необходимый фазовый сдвиг на выходе фазовращателя.
2. Для работы формирователя необходимо использование входного сигнала достаточно большой амплитуды.
2. Необходим подбор диодов по критерию идентичности вольт-амперных и вольт-емкостных характеристик.
3. Наличие большого количества регулировочных элементов («компенсация», «баланс», «регулировка фазы»).
4. Сложность настройки формирователя (необходима последовательно-поочередная регулировка трех подстроечных резисторов).
Наиболее близким устройством к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является, принятый за прототип, преобразователь однофазного напряжения в трехфазное (А.с. СССР №1775819, кл. Н02М 5/14, опубл. 15.11.92, Бюл. №42), который содержит первый операционный усилитель, между инвертирующим входом и выходом которого включен первый резистор, а между инвертирующим и неинвертирующим входами - последовательно соединенные второй резистор и неуправляемый двухполюсник, кодоуправляемый двухполюсник, включенный между неинвертирующим входом первого операционного усилителя и общей шиной, блок управления, к выходной N-разрядной шине которого подключена N-разрядная шина кодоуправляемого двухполюсника, а также второй операционный усилитель, между инвертирующим и неинвертирующим входами которого включен третий резистор, четвертый резистор, подключенный одним выводом к инвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого соединен с выходом аналого-цифрового аддитивного формирователя сигнала треугольной формы, вход которого, в свою очередь, соединен с общей точкой соединения второго резистора и неуправляемого двухполюсника, а также с входом блока управления.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей устройства.
Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, заключается в расширении функциональных возможностей путем получения на выходе сигнала треугольной формы и обеспечения стабильных параметров формируемого сигнала при изменении частоты и амплитуды входного сигнала в широких пределах.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в аналого-цифровой аддитивный формирователь сигнала треугольной формы, содержащий первый операционный усилитель, между инвертирующим
входом и выходом которого включен первый резистор, а между инвертирующим и неинвертирующим входами - последовательно соединенные второй резистор и неуправляемый двухполюсник, кодоуправляемый двухполюсник, включенный между неинвертирующим входом первого операционного усилителя и общей шиной, блок управления, к выходной N-разрядной шине которого подключена N-разрядная шина кодоуправляемого двухполюсника, а также второй операционный усилитель, между инвертирующим и неинвертирующим входами которого включен третий резистор, четвертый резистор подключен одним выводом к инвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого соединен с выходом аналого-цифрового аддитивного формирователя сигнала треугольной формы, вход которого, в свою очередь, соединен с общей точкой соединения второго резистора и неуправляемого двухполюсника, а также с входом блока управления, дополнительно введены первый и второй двухполупериодные выпрямители, а также пятый и шестой резисторы, причем входы первого и второго двухполупериодных выпрямителей соединены, соответственно, с выходом первого операционного усилителя и входом блока управления, при этом второй вывод четвертого резистора подключен к выходу первого двухполупериодного выпрямителя, пятый резистор включен между выходом второго двухполупериодного выпрямителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, шестой резистор включен между неинвертирующим входом второго операционного усилителя и общей шиной.
Кодоуправляемый двухполюсник выполнен из преобразователя "код-сопротивление", эквивалентное сопротивление которого обратно пропорционально коэффициенту, зависящему от цифрового кода, блок управления выполнен из преобразователя "частота-код", а неуправляемый двухполюсник - из конденсатора.
Кодоуправляемый двухполюсник может быть выполнен из преобразователя "код-проводимость", эквивалентная проводимость которого прямо пропорциональна коэффициенту, зависящему от цифрового кода.
Кодоуправляемый двухполюсник может быть выполнен из преобразователя "код-эквивалентная индуктивность", значение которой обратно пропорционально коэффициенту, зависящему от цифрового кода, блок управления выполнен из преобразователя "частота-код", а неуправляемый двухполюсник - из резистора.
Кодоуправляемый двухполюсник выполнен из имитатора емкости, эквивалентная емкость которого прямо пропорциональна коэффициенту, зависящему от цифрового кода, блок управления выполнен из преобразователя "период-код", а неуправляемый двухполюсник - из резистора.
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 первого и второго двухполупериодных выпрямителей, а также пятого и шестого резисторов обеспечивает возможность получения на выходе аддитивного формирователя сигнала треугольной формы при изменении частоты и амплитуды входного сигнала в широких пределах.
Полезная модель поясняется структурной схемой аддитивного формирователя сигнала треугольной формы, изображенной на фиг.1 и графиками, поясняющими принцип формирования выходного сигнала - на фиг.2.
Аналого-цифровой аддитивный формирователь сигнала треугольной формы содержит первый операционный усилитель 1, между инвертирующим входом и выходом которого включен первый резистор 2, а между инвертирующим и неинвертирующим входами - последовательно соединенные второй резистор
3 и неуправляемый двухполюсник 4, кодоуправляемый двухполюсник 5, включенный между неинвертирующим входом первого операционного усилителя 1 и общей шиной, блок управления 6, к выходной N-разрядной шине которого подключена N-разрядная шина кодоуправляемого двухполюсника 5, а также второй операционный усилитель 7, между инвертирующим и неинвертирующим входами которого включен третий резистор 8, четвертый резистор 9 подключен одним выводом к инвертирующему входу второго операционного усилителя 7, выход которого соединен с выходом 10 аналого-цифрового аддитивного формирователя сигнала треугольной формы, вход 11 которого, в свою очередь, соединен с общей точкой соединения второго резистора 3 и неуправляемого двухполюсника 4, а также с входом блока управления 6, первый 12 и второй 13 двухполупериодные выпрямители, а также пятый 14 и шестой 15 резисторы, причем входы первого 12 и второго 13 двухполупериодных выпрямителей соединены, соответственно, с выходом первого операционного усилителя 1 и входом блока управления 6, при этом второй вывод четвертого резистора 9 подключен к выходу первого двухполупериодного выпрямителя 12, пятый резистор включен между выходом второго двухполупериодного выпрямителя 13 и неинвертирующим входом второго операционного усилителя 7, шестой резистор 15 включен между неинвертирующим входом второго операционного усилителя 7 и общей шиной.
Кодоуправляемый двухполюсник 5 выполнен из преобразователя "код-сопротивление", эквивалентное сопротивление которого обратно пропорционально коэффициенту, зависящему от цифрового кода, блок управления 6 выполнен из преобразователя "частота-код", а неуправляемый двухполюсник 4 - из конденсатора.
Кодоуправляемый двухполюсник 5 может быть выполнен из преобразователя "код-проводимость", эквивалентная проводимость которого прямо пропорциональна коэффициенту, зависящему от цифрового кода.
Кодоуправляемый двухполюсник 5 может быть выполнен из преобразователя "код-эквивалентная индуктивность", значение которой обратно пропорционально
коэффициенту, зависящему от цифрового кода, блок управления 6 выполнен из преобразователя "частота-код", а неуправляемый двухполюсник 4 - из резистора.
Кодоуправляемый двухполюсник 5 выполнен из имитатора емкости, эквивалентная емкость которого прямо пропорциональна коэффициенту, зависящему от цифрового кода, блок управления 6 выполнен из преобразователя "период-код", а неуправляемый двухполюсник 4 - из резистора.
Работа аналого-цифрового аддитивного формирователя сигнала треугольной формы осуществляется следующим образом.
На вход 11 формирователя, а, следовательно, и на вход блока управления 6 подается сигнал
1
где А - амплитуда, а ω - круговая частота сигнала S(t), связанная с циклической частотой f известным соотношением ω=2πf.
Операционный усилитель 1, резисторы 2 и 3, неуправляемый двухполюсник 4 и кодоуправляемый двухполюсник 5 образуют управляемый фазовращатель, передаточная функция которого описывается следующим
выражением:
где Z (s) - операторное сопротивление неуправляемого двухполюсника 4;
Zy (s) - операторное сопротивление управляемого двухполюсника 5;
s - комплексная переменная.
3
4
Операционный усилитель 7, третий 8, четвертый 9, пятый 14 и шестой 15 резисторы образуют блок суммирования с одним инвертирующим и одним неинвертирующим входами. Блок суммирования выполняет операцию сложения двух сигналов S(t) и S(t), поступающих с выходов первого 12 и второго 13 двухполупериодных выпрямителей, соответственно. В результате на выходе
блока суммирования, а, следовательно, и на выходе 10 устройства формируется сигнал
1
2
где n и n - коэффициенты передачи блока суммирования по инвертирующему и неинвертирующему входам, соответственно.
Если неуправляемый двухполюсник 4 выполнен из конденсатора, а кодоуправляемый двухполюсник 5 - из преобразователя «код-сопротивление», то операторные сопротивления
1
где C - емкость неуправляемого двухполюсника 4;
Э1
R -эквивалентное сопротивление управляемого двухполюсника 5.
С учетом (4) передаточная функция принимает следующий вид:
y1
1
Э1
где T=C·R - управляемая постоянная времени.
1
Коэффициент передачи управляемого фазовращателя не зависит от частоты f входного сигнала S(t) и равен единице, а фазовый сдвиг определяется следующим выражением:
0
1
Э1
0
1
Э1
Для заданного значения частоты f=f и при выборе параметров C и R из условия 2πf·C·R=1 на выходе управляемого фазовращателя формируется сигнал
1
сдвинутый по отношению к сигналу S(t) на угол π/2.
1
min
max
1
Для того чтобы при изменении частоты f входного сигнала S(t) от f до f фазовый сдвиг на выходе управляемого фазовращателя оставался стабильным и равным φ(ω)=π/2 необходимо выполнить следующее условие:
Э1
1
1
Если эквивалентное сопротивление R будет изменяться обратно пропорционально цифровому коду D, который, в свою очередь, будет линейно зависеть от частоты f входного сигнала S(t), то произведение
1
1
где m и k - масштабные коэффициенты, соответственно, кодоуправляемого двухполюсника 5 и блока управления 6;
1
D, - управляющее число преобразователя "частота-код", из которого выполнен блок управления 6.
2
Э2
2
Стабильный фазовый сдвиг φ(ω)=π/2 можно получить и в том случае, если кодоуправляемый двухполюсник 4 выполнен из преобразователя "код-проводимость", эквивалентная проводимость G которого прямо пропорциональна цифровому коду D
Э2
2
2
2
G=m·D, где m - масштабный коэффициент преобразователя "частота-код".
Фазовый сдвиг
В этом случае произведение
2
1
также остается постоянной величиной, а, следовательно, фазовый сдвиг φ(ω) не будет зависеть от частоты f входного сигнала S(t).
Если неуправляемый двухполюсник 4 выполнен из резистора, а кодоуправляемый двухполюсник 5 - из преобразователя "код-эквивалентная индуктивность", то операторные сопротивления
3
где R - сопротивление неуправляемого двухполюсника 4;
Э3
L - эквивалентная индуктивность управляемого двухполюсника 5.
Сдвиг фазы
Э3
3
Если эквивалентная индуктивность L будет изменяться обратно пропорционально цифровому коду D, то произведение
3
где m - масштабный коэффициент преобразователя "код-эквивалентная индуктивность".
Если неуправляемый двухполюсник 4 выполнен из резистора, а кодоуправляемый двухполюсник 5 - из имитатора емкости, то операторные сопротивления
Э4
где С - эквивалентная емкость управляемого двухполюсника 5.
В этом случае передаточная функция управляемого фазовращателя принимает следующий вид:
у4
Э4
4
где Т=С·R - управляемая постоянная времени.
Сдвиг фазы
0
Э4
4
4
Э4
Для заданного значения частоты f=f и выборе параметров С и R из условия 2πf·R·С=1 на выходе управляемого фазовращателя формируется сигнал
1
сдвинутый по отношению к сигналу S(t) на угол π/2.
Э4
Для получения стабильных фазовых сдвигов, инвариантных к изменению входной частоты f, необходимо выполнить условие f·С=const.
4
Если эквивалентная емкость будет изменяться прямо пропорционально цифровому коду D, который, в свою очередь, будет линейно зависеть от периода T=1/f, то произведение
4
4
где масштабные m и k - коэффициенты кодоуправляемого двухполюсника 5 и блока управления 6, соответственно.
2
1
Таким образом, на выходе управляемого фазовращателя формируется сигнал S(1) сдвинутый по отношению к сигналу S(t) на угол π/2, причем для любого значения частоты f.
1
2
Двухполупериодные выпрямители 12 и 13 обеспечивают (Фиг.2) получение модулей сигналов S(t) и S(t):
которые поступают на соответствующие входы блока суммирования.
3
4
В результате суммирования двух сигналов S(t) и S(t) на выходе 10 устройства формируется (Фиг.2) сигнал
треугольной формы с достаточно хорошей линейностью.
1
2
5
3
При n=n=1 на выходе 4 амплитуда сигнала S(t) будет равна амплитуде А входного сигнала S(t). На Фиг.2 графики построены для нормированного значения А=1.
Использование предлагаемой полезной модели позволит расширить функциональные возможности предлагаемого устройства путем получения на выходе аддитивного формирователя сигнала треугольной формы и обеспечить стабильные параметры формируемого сигнала при изменении частоты и амплитуды входного сигнала в широких пределах.