Управляемый кольцевой генератор импульсов

Авторы патента:

Чулков Валерий Александрович (RU)

H03B27/00 - Генерирование электрических колебаний, обеспечивающее несколько выходных сигналов одинаковой частоты, но отличающихся по фазе, кроме варианта с двумя выходными сигналами, находящимися в противофазе

Владельцы патента RU 2546073:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет" (RU)

Изобретение относится к электронным схемам и может быть использовано для генерирования множества смещенных по фазе импульсов с управляемой частотой в системах синхронизации и преобразования сигналов. Достигаемый технический результат: расширение диапазона электронной перестройки частоты генерируемых импульсов. Управляемый кольцевой генератор импульсов содержит замкнутую цепь из нечетного количества инвертирующих каскадов, каждый из которых имеет присоединенный к выходу предшествующего каскада первый сигнальный вход для образования основного контура обратной связи и второй сигнальный вход, общее количество каскадов выбирается кратным трем, при этом каждый i-ый каскад выполняется в виде управляемого элемента фазовой интерполяции, у которого второй сигнальный вход подключен к выходу (i-3)-го каскада, входы управления всех элементов фазовой интерполяции соединены с общим зажимом управляющего напряжения. 2 з.п. ф-лы. 3 ил.

Изобретение относится к электронным схемам и может быть использовано для генерирования множества смещенных по фазе импульсов с управляемой частотой в системах синхронизации и преобразования сигналов. Применение кольцевого генератора импульсов с многими выходами позволяет уменьшить шаг дискретизации времени в устройствах обработки сигналов и преобразователях время-код до значений, меньших тактового периода, то есть осуществить его фазовую интерполяцию.

Известны кольцевые генераторы импульсов в виде замкнутой цепи нечетного числа инвертирующих каскадов (US 3395362, 30.07.1968 [1], US 3428913, 18.02.1969 [2], US 4517532, 14.05.1985 [3]). Частота импульсов определяется количеством каскадов в кольце и задержкой переключения каждого из них, которая в свою очередь зависит от тока переключения и значения емкости нагрузки. Известные устройства, ориентированные на интегральное исполнение, отличаются простотой конструкции и не требуют внешних времязадающих элементов. Однако они не допускают регулирования частоты генерируемых импульсов, необходимого для компенсации ее технологического разброса и обеспечения фазовой синхронизации генератора.

Известны также кольцевые генераторы импульсов с электронной перестройкой частоты, в которых каждый инвертирующий каскад снабжен дополнительным входом, связанным с общим зажимом управляющего напряжения, конкретное исполнение схемы инвертирующего каскада определяется назначением генератора (US 3931588, 06.01.1976 [4], US 5963102, 5.10.1999 [5], RU 2397603, 20.08.2010 [6]). Указанные аналоги обеспечивают широкодиапазонную перестройку частоты.

В то же время шаг дискретизации времени, достигаемый в традиционном кольцевом генераторе импульсов, ограничен временем t_D задержки его каскада. Поскольку частота генерируемых импульсов также связана с временем задержки каскада как

где N - число каскадов генератора, которое не может быть выбрано произвольно малым ввиду необходимости обеспечения баланса фаз, то и максимальная генерируемая частота также ограничена.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранный за прототип кольцевой генератор импульсов по патенту US 6075419, 13.06.2000 [7]. Схема прототипа состоит из замкнутой в кольцо цепи из нечетного числа основных инверторов и такого же числа дополнительных управляемых инверторов, через которые образованы субсвязи между выходами i-го и (i-3)-го основных инверторов в кольце. При этом управляющие входы дополнительных инверторов подключены к общему управляющему входу кольцевого генератора. Устройство в целом выполняется по КМОП-технологии, допускающей объединение выходов инверторов без создания опасного режима благодаря наличию ограничивающих выходные токи сопротивлений каналов МОП-транзисторов.

За счет введения субсвязей через управляемые инверторы в устройстве-прототипе достигается повышенная частота генерирования импульсов и обеспечивается ее электронная перестройка в пределах октавы. В то же время структура устройства сложна, а диапазон электронной перестройки частоты недостаточен для применения его в качестве ядра устройства фазовой синхронизации или цифрового синтезатора частоты. Кроме того, интегральное исполнение устройства сопряжено с необходимостью компенсации значительного технологического разброса задержек инверторов, после чего оставшегося ресурса перестройки может не хватить на функциональные цели. Этот недостаток связан с тем, что регулирование задержек в прототипе осуществляется лишь по дополнительным инверторам субсвязей, а задержки инверторов основного кольца не изменяются.

Задачей изобретения является расширение диапазона электронной перестройки частоты генерируемых импульсов и упрощение структуры устройства.

Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения общее количество каскадов кольцевого генератора импульсов, состоящего из объединенной в кольцо цепи инвертирующих каскадов, их число выбирается кратным трем, при этом каждый i-й каскад выполняется в виде управляемого элемента фазовой интерполяции, у которого первый вход соединен с выходом предшествующего каскада, а второй вход - с выходом (i-3)-го каскада, а входы управления всех элементов фазовой интерполяции соединены с общим зажимом управляющего напряжения.

На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого управляемого кольцевого генератора импульсов, на фиг.2 показан вариант схемы составляющего каскад генератора управляемого элемента фазовой интерполяции, на фиг.3 представлен вариант исполнения управляемого инвертора, входящего в состав управляемого элемента фазовой интерполяции.

Управляемый кольцевой генератор импульсов (фиг.1) состоит из нечетного числа соединенных в кольцо управляемых элементов 1…9 фазовой интерполяции, каждый из которых имеет по два сигнальных входа и один управляющий вход, подключенный к общему зажиму 10 управляющего напряжения. Первый сигнальный вход каждого i-го управляемого элемента фазовой интерполяции подключен к выходу (i-1)-го управляемого элемента фазовой интерполяции, что обеспечивает замыкание каскадов генератора в кольцо. Второй сигнальный вход каждого i-го управляемого элемента фазовой интерполяции подключен к выходу (i-3)-го управляемого элемента фазовой интерполяции для образования дополнительных субсвязей в генераторе.

Представленная на фиг.2 схема входящего в кольцевой генератор импульсов управляемого элемента 1…9 фазовой интерполяции содержит первый 11 и второй 12 управляемые инверторы, сигнальные входы которых служат сигнальными входами 13 и 14 управляемого элемента фазовой интерполяции, а объединенные выходы - выходом 15 управляемого элемента фазовой интерполяции. Каждый управляемый инвертор 11, 12 снабжен управляющим входом, при этом управляющий вход первого управляемого инвертора 11 присоединен к управляющему входу 16 управляемого элемента фазовой интерполяции непосредственно, а управляющий вход второго управляемого инвертора 12 - через аналоговый инвертор, выполненный в виде операционного усилителя 17 с соответствующими входным резистором 18 и резистором обратной связи 19. Неинвертирующий вход операционного усилителя 16 подключен к входу 20 опорного напряжения, играющего роль «операционной земли». Для изображения управляемых элементов 1…9 фазовой интерполяции используется условное графическое изображение 21.

Управляемые инверторы 11, 12 могут быть выполнены по схеме, показанной на фиг.3 и включающей КМОП-инвертор на паре комплементарных МОП-транзисторов 21, 22 с каналами противоположного типа проводимости, у которых объединенные затворы служат сигнальным входом 23 управляемого инвертора, а объединенные стоки - его выходом 24. Истоки транзисторов КМОП-инвертора подключены к соответствующим шинам 25, 26 питания посредством связанной с управляющим входом 27 схемы «токового зеркала» в составе транзисторов 28…31. Известная из литературы схема «токового зеркала» (см., например, книгу Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. - М.: Мир. - 1982. - с.43, рис.4.29 [8], вариант на биполярных транзисторах) обеспечивает по абсолютному значению токов всех транзисторов 28…31, при этом значение токов стока указанных транзисторов устанавливается напряжением на управляющем входе 27 схемы. Управляемый инвертор нагружен на емкость 32. Условное графическое обозначение управляемого инвертора на фиг.3 представлено цифровой позицией 33.

Для уяснения принципа действия управляемого кольцевого генератора импульсов рассмотрим сначала порядок работы его составных частей.

Время задержки импульса в схеме управляемого инвертора (фиг.3) определяется его выходным током, которым перезаряжается емкость 32 нагрузки. Упомянутый выходной ток управляемого инвертора устанавливается уровнем напряжения на управляющем входе 27, с ростом напряжения время задержки сокращается. Такая схема способна обеспечить более чем декадный диапазон перестройки задержки [9].

При соединении пары описанных управляемых инверторов в схему управляемого элемента фазовой интерполяции (фиг.2) временная позиция задержанного импульса на выходе 15 зависит от временных позиций импульсов на сигнальных входах 13 и 14, а также от удельных весов задержек управляемых инверторов 11 и 12, с которыми они участвуют в формировании импульса на общем выходе 15. Если обозначить временные позиции фронтов импульсов на сигнальных входах 13 и 14 как t_X и t_Y, то временную позицию фронта импульса на выходе 15 можно определить как [10]

где $α = U_{y} / E \in 0 \dots 1$ - коэффициент, определяющий «веса» опорных сигналов, U_y - напряжение на управляющем входе 16, Е - напряжение питания управляемых инверторов 11 и 12, t_D0 - минимальное время задержки управляемого инвертора. В зависимости от значения U_y позиция фронта (спада) выходного импульса может изменяться. Таким образом осуществляется регулирование позиции выходного импульса, при котором задержка фронта импульса на выходе 15 отсчитывается либо от спада импульса на входе 13 (α=1), либо от спада импульса на входе 14 (α=0), либо от регулируемой «оси» интерполяции, располагающейся между позициями спадов входных импульсов (0<α<1). Необходимым условием интерполяции является перекрытие во времени фронтов (спадов) входных сигналов.

Необходимым условием возникновения и поддержания колебаний в схеме управляемого кольцевого генератора импульсов является нечетное число образующих кольцо инвертирующих каскадов, например девять (фиг.1). Частота генерируемых импульсов в соответствии с выражением (1) зависит от времени задержки одного каскада t_D и их общего количества N, тот и другой параметры в предлагаемом устройстве могут изменяться под воздействием управляющего напряжения на зажиме 10, которое определяет коэффициент α в (1).

При управляющем воздействии α=1 в соответствии с (1) замкнуто основное кольцо генератора, состоящее из девяти управляемых элементов 1…9 фазовой интерполяции. Так как удельный вес вторых сигнальных входов элементов фазовой интерполяции, задействованных в субсвязях, равен нулю, то эти связи, по существу отсутствуют и частота согласно (1)

По мере изменения управляющего воздействия α→0 и элемент фазовой интерполяции осуществляет взвешенное суммирование своих входных импульсов, при этом его задержка отсчитывается от оси интерполяции и сокращается. Частота импульсов возрастает и достигает максимума при α=0, когда связи между каскадами по основному кольцу отключаются, и образуются три формально независимых генератора из элементов соответственно 1, 4, 7, элементов 2, 5, 8 и элементов 3, 6, 9, каждый из которых генерирует импульсы с частотой

Таким образом, диапазон плавного регулирования частоты колебаний в схеме оценивается отношением 3:1. Если предположить, что период колебаний линейно связан со значением коэффициента управления

то модуляционная характеристика генератора может быть записана как

Литература

1. Controllable gated pulse signal providing circuit. US 3395362, 30.07.1968 / Sutherland J.F.

2. Transistor logic oscillator. US 3428913, 18.02.1969 / Pechoucek M.

3. Programmable ring oscillator. US 4517532, 14.05.1985 /Neidorff R.A.

4. Voltage controlled oscillator utilizing field effect transistors. US 3931588, 06.01.1976 / Gehweiler W.F.

5. Voltage controlled oscillator having a ring oscillator circuit. US 5963102, 5.10.1999 / Pang D.S.

6. Широкодиапазонный кольцевой генератор, управляемый напряжением. RU 2397603, 20.08.2010/Зайцев А.А.

7. High speed wide tuning range multi-phase output ring oscillator. US 6075419, 13.06.2000 / Sun L., Kwasniewski T.

8. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. - M.: Мир, 1982.

9. Чулков В.А. Интерполирующие устройства синхронизации и преобразователи информации. - M.: Физматлит, 2010.

1. Управляемый кольцевой генератор импульсов, содержащий замкнутую цепь из нечетного количества инвертирующих каскадов, каждый из которых имеет присоединенный к выходу предшествующего каскада первый сигнальный вход для образования основного контура обратной связи и второй сигнальный вход, отличающийся тем, что общее количество каскадов выбирается кратным трем, при этом каждый i-й каскад выполняется в виде управляемого элемента фазовой интерполяции, у которого второй вход подключен к выходу (i-3)-го каскада, входы управления всех элементов фазовой интерполяции соединены с общим зажимом управляющего напряжения.

2. Управляемый кольцевой генератор импульсов по п.1, отличающийся тем, что каждый элемент фазовой интерполяции выполнен в виде первого и второго управляемых инверторов с объединенными выходами, сигнальные входы указанных инверторов служат сигнальными входами элемента фазовой интерполяции, а управляющий вход первого инвертора, соединенный с управляющим входом второго инвертора через каскад сопряжения, служит входом управления элемента фазовой интерполяции.

3. Управляемый кольцевой генератор импульсов по п. 2, отличающийся тем, что управляемый инвертор выполнен в виде КМОП-инвертора на паре комплементарных транзисторов с каналами противоположного типа проводимости, причем истоки указанных транзисторов подключены к соответствующим шинам питания посредством связанной с управляющим входом схемы токового зеркала.

Похожие патенты:

Функциональный генератор // 2541147

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в аппаратуре связи, измерительной и вычислительной технике для формирования квадратурных гармонических сигналов нескольких частот и сигналов различной формы одинаковой частоты.

Функциональный генератор // 2534939

Управляемый генератор // 2506692

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано при построении управляемых генераторов. Достигаемый технический результат - уменьшение нелинейных искажений и асимметрии выходных сигналов.

Октавный микропотребляющий высокочастотный кмоп генератор, управляемый напряжением // 2485668

Двухфазный lc-генератор квадратурных гармонических колебаний // 2485667

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для генерации гармонических колебаний. .

Кольцевой кмоп генератор, управляемый напряжением // 2455755

Двухканальный генератор гармонических сигналов // 2413354

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для электропитания звуковоспроизводящей аппаратуры. .

Устройство для формирования гармонического сигнала (варианты) // 2259629

Изобретение относится к устройствам генерирования электрических колебаний, обеспечивающих несколько выходных сигналов, и может быть использовано в устройствах электротехники для формирования двухфазного или трехфазного сигнала задания тока и напряжения электропривода переменного тока, а также к другим областям техники, где необходимо иметь двухфазные либо трехфазные напряжения или токи строго синусоидальной формы, регулируемой частоты с точным 90° или 120° - фазовым сдвигом между ними и возможностью изменения порядка чередования фаз.

Цифровой формирователь четырехфазного гармонического колебания // 2212092

Изобретение относится к области радиотехники и может применяться в вычислительной технике. .

Генератор с раздельной цифровой регулировкой частоты и фазы импульсов // 2168268

Управляемый генератор квадратурных сигналов // 2551824

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано при построении управляемых генераторов. Техническим результатом является повышение спектральной чистоты формируемых квадратурных гармонических сигналов. Устройство содержит два умножителя, два интегратора, два квадратора, два сумматора, инвертор, два делителя, блок извлечения квадратного корня, компаратор, источник опорного напряжения. 3 ил.

Формирователь трехфазных гармонических сигналов // 2553418

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано при построении многофазных генераторов. Достигаемый технический результат - формирование трехфазных гармонических сигналов с фазовыми сдвигами ± 120° между ними при стабильности этих сдвигов при изменении частоты и амплитуды входного сигнала в широких пределах. Формирователь трехфазных гармонических сигналов содержит два резистора, два конденсатора, два повторителя, два компаратора, два одновибратора, два устройства выборки-хранения, делитель, масштабирующий усилитель, инвертор, два управляемых фазовращателя, при этом инвертор включен между входной шиной и первым входом первого управляемого фазовращателя, выход которого соединен со вторым выходом формирователя трехфазных гармонических сигналов, первый выход которого соединен с входной шиной и первым входом второго управляемого фазовращателя, выход которого соединен с третьим выходом формирователя трехфазных гармонических сигналов. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Формирователь квадратурных гармонических сигналов // 2553434

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в многофазных генераторах, а также в устройствах модуляции-демодуляции квадратурных сигналов. Достигаемый технический результат - осуществление синхронизации выходных сигналов с фазой входного сигнала, амплитуда и частота которого могут изменяться в широких пределах. Формирователь квадратурных гармонических сигналов, содержит источник гармонического сигнала, два фазовращателя, два компаратора, два одновибратора, два устройства выборки-хранения, делитель, умножитель, сумматор, выход которого соединен со вторым выходом формирователя квадратурных гармонических сигналов, первый выход которого соединен с входами первого и второго фазовращателей, два резистора, конденсатор, операционный усилитель и масштабирующий усилитель, при этом источник гармонического сигнала включен между входом второго фазовращателя и общей шиной. 2 ил.

Функциональный генератор // 2554571

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в измерительной технике и автоматике. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей путем получения на его выходах наряду с гармоническим сигналом сигналов треугольной формы и биполярных сигналов прямоугольной формы, амплитудные значения которых остаются стабильными при изменении частоты и амплитуды входного сигнала. Функциональный генератор содержит источник гармонического сигнала, первый и второй компараторы, первый и второй одновибраторы, первое и второе устройства выборки-хранения, первый и второй делители, первый и второй сумматоры, инвертор, буферный каскад, первый и второй управляемые интеграторы, третий одновибратор, первый и второй источники опорного напряжения. 3 ил.

Функциональный генератор // 2555241

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в измерительной технике и автоматике. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей путем получения на выходах наряду с гармоническим сигналом сигналов треугольной формы и биполярных сигналов прямоугольной формы, амплитудные значения которых остаются стабильными при изменении частоты и амплитуды исходного сигнала. Функциональный генератор содержит формирователь биполярных импульсов, первый и второй формирователи коротких импульсов, инвертор, первый и второй управляемые интеграторы, схему сравнения, выходной формирователь, источник гармонического сигнала и компаратор. 3 з. п. ф-лы, 2 ил. .

Управляемый генератор квадратурных сигналов // 2565362

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано при построении управляемых генераторов. Достигаемый технический результат - повышение спектральной чистоты формируемых квадратурных гармонических сигналов. Управляемый генератор квадратурных сигналов содержит четыре компаратора, два одновибратора, два устройства выборки-хранения, два делителя, два ограничителя, два умножителя, два операционных усилителя, инвертор, три сумматора, два резистора, два конденсатора, RS-триггер, источник опорного напряжения, при этом вторые входы первого и второго умножителей подключены к управляющей шине, выходы первого и второго ограничителей являются соответственно первым и вторым выходами устройства. 5 ил.

Формирователь гармонического сигнала // 2565424

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в измерительной технике и автоматике. Достигаемый технический результат - формирование гармонического сигнала с минимальными нелинейными искажениями при подаче на входы устройства сигналов треугольной формы, амплитуда и частота которых могут меняться в широких диапазонах и при значительной асимметрии амплитуд сигналов. Формирователь гармонического сигнала содержит две входные шины, двухканальный стабилизатор амплитуды, перемножитель, масштабирующий усилитель, блок коррекции, который выполнен из второго и третьего перемножителей и сумматора. 2 ил.

Фазовращатель сигнала треугольной формы // 2568771

Изобретение относится к области радиотехники и вычислительной техники и может быть использовано в радиолокации, широтно-импульсных модуляторах, устройствах временной задержки. Достигаемый технический результат - формирование сигнала треугольной формы, сдвинутого на 90 градусов по отношению к его входному сигналу треугольной формы, частота и амплитуда которого могут изменяться в широких пределах. Фазовращатель сигнала треугольной формы содержит два формирователя импульсов, логическую схему, два коммутатора, два сумматора и датчик амплитуды. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Функциональный генератор квадратурных сигналов // 2582556

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в измерительной технике и автоматике. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства за счет получения на его выходах квадратурных гармонических сигналов, а также квадратурных биполярных сигналов прямоугольной и треугольной формы с высокими метрологическими характеристиками при изменении частоты в широких пределах. Функциональный генератор содержит: три перемножителя (1-3), два интегратора (4, 5), три квадратора (6-8), два сумматора (9, 10) и релейный элемент 11, третий 12 и четвертый 13 сумматоры, второй релейный элемент 14, четвертый квадратор 15 и четвертый перемножитель 16. 4 ил.

Функциональный генератор // 2582557

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в измерительной технике и автоматике. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства за счет получения на его выходах квадратурных гармонических сигналов, а также биполярных сигналов прямоугольной и треугольной формы с высокими метрологическими характеристиками при изменении частоты в широких пределах. Функциональный генератор, содержит: первый 1 и второй 2 сумматоры, релейный элемент 3, первый 4 и второй 5 перемножители, интегратор 6, первый 7 и второй 8 квадраторы, фазовый фильтр 9, выполненный из первого 10 и второго 11 операционных усилителей, третьего перемножителя 12, конденсатора 13, двуханодного стабилитрона 14, первого 15, второго 16, третьего 17, четвертого 18 и пятого 19 резисторов. 4 ил.