Генератор пилообразного напряжения

Изобретение относится к радиотехнике для систем автоматической подстройки частоты. Технический результат заключается в произвольном изменении мгновенной фазы гармонического колебания в широких пределах, значительно превышающих ±π радиан. Основой структуры ГПН является аналоговый интегратор на типовом ОУ (1) с несимметричным входом, охваченный емкостной обратной связью (2) через конденсатор С и имеющий резистивную входную цепь (3) через резистор R и нормально разомкнутые контакты реле пуска (4) между шиной (5) напряжения управления W и суммирующей точкой ОУ. Нормально замкнутый контакт реле пуска подключает к интегратору типовую цепь задания начальных условий на выходе интегратора через резистор обратной связи R_o и резистор R_н, подключенный к источнику (6) напряжения N в исходном положении. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике систем автоматической подстройки частоты (АПЧ), и обеспечивает управление частотой генерируемых колебаний.

Генераторы пилообразного напряжения (ГПН) нашли массовое применение в современной радиотехнике в качестве узлов осциллографов, телевизоров, систем АПЧ и т.п. Но в этих применениях задача моделирования мгновенной фазы не ставилась, и эти ГПН предназначены для решения более узких задач (Тительбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. Практика аналогового моделирования динамических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1987 г., с.206).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому эффекту является устройство для моделирования мгновенной фазы гармонического колебания (Прокофьев Е.В. Способ генерирования колебаний. Патент РФ №2131144, G 06 G, Н 03 В 1/00, 27.05.99, Бюл.15). В нем используется неуправляемый по частоте ГПН на операционном усилителе (ОУ), работающем в режиме интегратора, с добавлением в структуру устройства типового инвертора и переключателя для скачкообразного изменения знака крутизны пилообразного напряжения.

Предлагаемое изобретение решает задачу формирования пилообразного напряжения, моделирующего мгновенную фазу гармонического колебания, с целью произвольного изменения ее в широких пределах, значительно превышающих ±π радиан. Такую задачу прототип решить не может по следующим причинам.

1. В прототипе предусмотрено только скачкообразное изменение крутизны пилообразного напряжения и нет возможности плавного изменения ее в широких пределах.

2. В нем не обозначены начало отсчета мгновенной фазы и ввод ее начального значения.

В предлагаемом изобретении поставленная задача решается тем, что, как и в известном устройстве, содержащем операционный усилитель с емкостной цепью обратной связи с его выхода в суммирующую точку и имеющем резистивную входную цепь через резистор и нормально разомкнутые контакты реле пуска между шиной управления и суммирующей точкой операционного усилителя, образующие аналоговый интегратор, нормально замкнутый контакт реле пуска подключает к аналоговому интегратору типовую цепь задания начальных условий через резистор от источника напряжения с подключением при этом резистора обратной связи параллельно цепи емкостной обратной связи, дополнительно подключена цепь импульсной обратной связи. Особенность ее заключается в том, что она состоит из двух параллельных, идентичных по составу узлов ветвей, каждая из которых состоит из последовательно включенных компаратора, на второй вход которого подано постоянное напряжение сравнения, положительное для одной ветви и отрицательное для другой, первого входа элемента И на два входа, ждущего мультивибратора с регулируемой длительностью выходного импульса, управляющего входа электронного ключа, у которого выход нормально разомкнутого контакта подключен к дополнительному входному резистору, общему для обеих ветвей, при этом вторые входы элементов И перекрестно подключены к выходам ждущих мультивибраторов, входы нормально разомкнутых контактов электронных ключей предназначены для подачи напряжений сравнения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источников, характеризующихся признаками заявленного изобретения.

Определение прототипа позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение "генератор пилообразного напряжения" соответствует условию "новизна".

Заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем, не выявлена возможность достижения предусмотренных существенными признаками заявленного изобретения преобразований для получения технического результата (моделирование произвольного развития во времени мгновенной фазы гармонического колебания) путем либо дополнения одного известного устройства частью другого известного, либо замены части одного известного устройства другим известным устройством или его частью.

Заявленный ГПН обладает более широкой областью применения из-за реализации новых недостижимых в известных решениях технических возможностей. Таковыми являются: высокое быстродействие переключения крутизны пилообразного напряжения (экспериментально подтверждено ±20 в/мкс), большое перекрытие диапазона частот генерируемых пилообразных колебаний, и, наконец, обеспечена техническая реализация поставленной цели, т.е. нового качества, недостижимого в прототипе: непрерывное развитие мгновенной фазы во времени адекватно преобразуется в непрерывную генерацию пилообразного напряжения.

Вышеприведенный анализ позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого генератора пилообразного напряжения критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 приведена структурная схема ГПН, а на фиг.2 - осциллограммы характерных режимов его работы.

Основой структуры ГПН является аналоговый интегратор на типовом ОУ 1 с несимметричным входом, охваченный емкостной обратной связью 2 через конденсатор С и имеющий резистивную входную цепь 3 через резистор R и нормально разомкнутые контакты реле пуска 4 между шиной 5 напряжения управления W и суммирующей точкой ОУ. Нормально замкнутый контакт реле пуска подключает к интегратору типовую цепь задания начальных условий (НУ) на выходе интегратора через резистор обратной связи R₀ и резистор R_н, подключенный к источнику 6 напряжения Nв исходном положении (ИП). По команде пуск (П) запускается операция интегрирования. Напряжение Ф на выходе ОУ с высокой степенью точности выражается через входные напряжения по формуле

где Ф_н - начальное напряжение на выходе интегратора.

Формула (1) моделирует фундаментальную связь между частотой и фазой гармонического колебания при выборе масштабных коэффициентов по формулам

где ф - мгновенная фаза гармонического колебания в рад,

w - текущая угловая частота гармонического колебания в рад/с,

ф_н - начальная мгновенная фаза при t=0 в рад,

Ф₀ - масштаб по фазе в В/рад,

W₀ - масштаб по частоте в В/рад/с.

С учетом (2) формула (1) для реальных частоты и фазы запишется так

где .

Физической сущностью мгновенной фазы является ее неограниченное изменение во времени в процессе генерирования гармонического колебания. Соотношение (3) эту сущность отразить не может из-за ограниченности диапазона изменения напряжения на выходе ОУ (обычно ±10 В). Для решения поставленной задачи эту трудность необходимо преодолеть, для чего предлагается воспользоваться периодической особенностью гармонического колебательного процесса. Мгновенная фаза этого процесса - это количественная характеристика развития во времени колебательного процесса с момента пуска до текущего момента времени t. В предлагаемом изобретении неограниченное изменение фазы во времени эквивалентно заменяется генерацией пилообразного напряжения за счет включения параллельно емкостной обратной связи дополнительной цепи импульсной обратной связи, состоящей из двух параллельных ветвей, идентичных по составу последовательно включенных узлов. Каждая из ветвей начинается компараторами К7, 8, на вторые входы которых поданы постоянные напряжения сравнения Е, кратные 9, т.е. +9В для одной ветви и - 9В для другой, что соответствует выбору масштаба Ф₀=9/π В/рад, где π=3,14... - численная константа. На фиг.1 показан один источник +Е, а второй обеспечивается за счет инверсного входа К 8. После команды П развитие рабочей осциллограммы ГПН происходит следующим образом.

При W<0 (фиг.2о) ход пилы ГПН будет возрастающим. При достижении наряжением Ф значения уровня сравнения +9В (фиг.2а, ф_н>0) произойдет переключение компаратора К 7 и на его выходе появится узкий импульс (фиг.2б1), который при разрешающем напряжении на втором входе схемы И 9 (фиг.2б2) через ее неинвертирующий выход (фиг.2г1) запустит ждущий мультивибратор Ж 11 (фиг.2д1), а его выходной импульс с длительностью τ через нормально разомкнутый контакт 13 электронного ключа 15 подаст на дополнительный резистор 19 высокое стабильное напряжение +Е с контакта 17, совпадающее по знаку с напряжением сравнения +9В. Образуемые при этом импульсы Е13 показаны на фиг.2е1. Одновременно с управлением электронным ключом 15 рабочий импульс с выхода Ж 11 подается на второй вход элемента 10 в другой ветви, запрещая его работу во время данного обратного хода пилы. Высокое выходное напряжение ждущего мультивибратора Ж 12, перекрестно поданное на второй вход элемента 9 (фиг.2в1), способствует работе Ж 11. Под действием импульса на дополнительном входе интегратора 19 пила резко пойдет вниз, а за счет регулировки длительности τ в Ж11 этот обратный ход может быть прекращен по достижении уровня -9В (см. фиг.2а). Таким образом, сколь угодно долгому возрастанию фазы будет соответствовать сколь угодно долгая генерация пилы ГПН с положительным наклоном. Если W=0 (см. центральную часть фиг.2о), генерация пилы прекращается, текущая фаза не изменяется и сохраняется сколь угодно долго между моментами и (см. фиг.2).

При W>0 фаза начнет уменьшаться, начиная с сохраненного значения (см. фиг.2а), и возникнет генерация пилы с отрицательным наклоном, а ее функционирование будет обеспечиваться второй ветвью импульсной обратной связи. При этом по достижении напряжением Ф значения - 9В сработает компаратор К 8 (фиг.2б2), который через элемент И 10 (фиг.2г2) запустит ждущий мультивибратор Ж 12 (фиг.2д2). Его рабочий импульс через нормально разомкнутый контакт 14 электронного ключа 16 подаст на дополнительный вход интегратора 19 высокое стабильное напряжение - Е с контакта 18 (осциллограмма Е14 на фиг.2е2), совпадающее по знаку с напряжением сравнения - 9В. Одновременно с этим рабочий импульс (фиг.2г2) подается на второй вход схемы 9 в первой ветви, запрещая ее работу при убывающей пиле (фиг.2в2). В силу этого высокое напряжение на выходе Ж 11 (см. фиг.2в1) во время обратного хода пилы при убывающем рабочем ходе способствует надежной генерации убывающей фазы.

Выходное колебание Ф "генератора фазы" для внешнего применения снимается с шины 20. Дополнительная импульсная обратная связь в процессе генерации разбивает непрерывно текущее время t на чередующийся ряд интервалов двух типов: Т_i - рабочий ход пилы, τ - обратный ход пилы, где i - порядковый номер пары интервалов. С учетом этого разбиения соотношение (3) для процесса изменения фазы принимает вид

где k=R/r уменьшение дополнительного резистора по сравнению с резистором R. Для обеспечения крутого обратного хода целесообразно выбирать k≫1. Моменты времени t_i, соответствующие моментам окончания рабочих ходов Т_i, определяются соотношениями

Процесс развития во времени мгновенной фазы гармонического колебания можно представить в виде дробной и целой частей. Дробная часть развивается в пределах 2π радиан, а целая является суммой отрезков фазы величиной 2π радиан, которые появляются по мере выхода дробной части за пределы 2π радиан.

Дополнительная обратная связь обеспечивает принудительное "быстрое" перемещение процесса интегрирования при достижении им границы рабочего диапазона ОУ к противоположной. Этим самым она, с одной стороны, позволяет практически непрерывно показать развитие во времени дробной части (см. осциллограмму фиг.2а), а с другой, - сигнализирует об увеличении или уменьшении целой части отрезками фазы, равными 2π радиан (тонкая линия на фиг.2ж) и следующими дискретно во времени в моменты t_i окончания рабочих ходов Т_i. Непрерывным развитием во времени процесса изменения фазы в предлагаемом "генераторе фазы" является сумма (фиг.2ж, жирная линия) дискретной во времени целой части (фиг.2ж, тонкая линия) и практически следующих непрерывно рабочих ходов пилы дробной части (отрезки Т_i тонкой линии на фиг2а, выполненной в масштабе фиг.2ж).

По осям ординат всех осциллограмм фиг.2 отложены напряжения на выходах соответствующих узлов, кроме осциллограммы фиг.2ж, на которой по оси ординат показано развитие во времени мгновенной фазы в радианах по команде П, начиная с начального значения ф_н. На оси ординат осциллограммы фиг.2а показано развитие во времени дробной части мгновенной фазы жирной линией в напряжениях Ф (левая сторона оси) и тонкой линией в радианах ф (правая сторона).

Из (4) следует, что принудительный скачок по фазе при срабатывании импульсной обратной связи

подбирается равным 2π радиан за счет выбора либо длительности τ импульса ждущего мультивибратора, либо величины дополнительного резистора r.

Полоса рабочих частот ГПН определяется полосой рабочих частот ОУ. Для ОУ МЛ4806 (АВМ ЭМУ-200) ГПН апробирован в диапазоне частот от 0 до 100 кГц, для ОУ К574 УД1 возможно расширение полосы до 1 мГц. ГПН собран на печатной плате на отечественных микросхемах КМОП серии (Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник, Т.1-6. - М.: ИП Радио Софт, 2000 г.). Размер платы 80х80х20 мм. Возможна дальнейшая интеграция платы.

Таким образом, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Генератор пилообразного напряжения, содержащий операционный усилитель с емкостной цепью обратной связи с его выхода в суммирующую точку и имеющий резистивную входную цепь через резистор и нормально разомкнутые контакты реле пуска между шиной напряжения управления и суммирующей точкой операционного усилителя, образущие аналоговый интегратор, нормально замкнутый контакт реле пуска подключает к аналоговому интегратору типовую цепь задания начальных условий через резистор от источника напряжения, при этом параллельно цепи емкостной обратной связи дополнительно подключена цепь импульсной обратной связи, состоящая из двух параллельных, идентичных по составу узлов ветвей, каждая из которых состоит из последовательно включенных компаратора, на второй вход которого подано постоянное напряжение сравнения, положительное для одной ветви и отрицательное для другой, первого входа элемента И на два входа, ждущего мультивибратора с регулируемой длительностью выходного импульса, управляющего входа электронного ключа, у которого выход нормально разомкнутого контакта подключен к дополнительному входному резистору, общему для обеих ветвей, при этом вторые входы элементов И перекрестно подключены к выходам ждущих мультивибраторов, а входы нормально разомкнутых контактов электронных ключей предназначены для подачи напряжений сравнения.