Функциональный преобразователь с регулировкой амплитуды и фазы выходного колебания

Авторы патента:

H03L7/00 - Автоматическое управление частотой или фазой; синхронизация (настройка резонансных контуров вообще H03J; синхронизация в системах цифровой связи, см. соответствующие рубрики класса H04)

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 2689432:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для формирования электрического колебания, закон изменения которого отличается от закона изменения входного колебания. Техническим результатом является обеспечение регулировки амплитуды выходного колебания. Устройство содержит логический фазовый дискриминатор, формирователь нелинейных управляющих напряжений, интегратор, пропорциональное звено, сумматор напряжения, подстраиваемый генератор, два компаратора напряжения, элемент задержки, регулятор напряжения. 4 ил.

Изобретение относится к устройствам, формирующим электрическое колебание, закон изменения которого отличается от закона изменения входного колебания, и может найти применение в автоматике, приборостроении, телемеханических, информационно-измерительных системах, синтезе сигналов специальной формы.

Известны функциональные преобразователи [1-3], формирующие периодические синусоидальные (косинусоидальные) колебания, а также колебания отличные от синусоидальных (прямоугольные, треугольные, пилообразные), на основе периодических двуполярных колебаний, форма которых отличается от формы выходного колебания. Недостатком их является низкая стабильность преобразования, поскольку формируемые колебания не синхронизируются входными.

Существуют функциональные преобразователи [4-6], в которых при формировании выходного колебания обеспечивается его автоподстройка к входному колебанию. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство [6], в котором на основе периодического двуполярного колебания одной формы создается двуполярное колебание другой формы, причем оба колебания имеют одну и ту же частоту. Для синхронизации входного и выходного колебаний в устройстве применяется астатическая система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), обеспечивающая высокую точность фазовой синхронизации входного и выходного колебаний. Кроме того, указанное устройство позволяет регулировать фазовый сдвиг выходного колебания относительно входного в диапазоне [0,2π] с разрешающей способностью, обеспечиваемой аналоговым элементом управления фазой.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя за счет введения дополнительной регулировки амплитуды выходного колебания. Регулирование амплитуды может потребоваться, например, при построении фазовращателей, в которых требуется выполнять раздельную независимую регулировку фазы и амплитуды выходного колебания [5, стр. 21].

Указанная цель достигается в устройстве [6], выбранном в качестве прототипа, содержащем кольцо ФАПЧ, состоящее из логического фазового дискриминатора (ЛФД); формирователя двуполярного напряжения с нелинейным законом изменения; фильтрующего звена, реализованного в виде параллельно включенных интегратора и пропорционального звена; подстраиваемого генератора, создающего двуполярное колебание требуемой формы с двумя переходами через нулевой уровень на периоде повторения колебания. Для применения ЛФД входное и выходное двуполярные колебания преобразуются в однополярные прямоугольные колебания с помощью компараторов с нулевым уровнем порога. В прототипе элемент задержки (линия задержки), позволяющий обеспечить реализацию заданного фазового сдвига выходного колебания относительно опорного, устанавливается во входной цепи (на опорном входе ЛФД). При этом увеличение значения задержки Δt опорного колебания линией задержки (ЛЗ) приводит к изменению разности фаз выходного колебания относительно опорного на периоде повторения в диапазоне от 0 до -2π. То есть положительное изменение величины задержки Δt вызывает отрицательное изменение разности фаз Δϕ<0 между подстраиваемым и опорным колебаниями.

Поскольку на основе одного опорного колебания можно создать несколько выходных колебаний с разными формами (законами изменения) колебаний и различными фазовыми сдвигами относительно опорного, линию задержки, обеспечивающую формирование заданного фазового сдвига, рациональнее разместить на входе ЛФД, на который подается формируемое колебание, преобразованное компаратором с нулевым порогом сравнения. При этом положительное изменение величины задержки Δt ЛЗ будет вызывать соответствующе положительное изменение разности фаз Δϕ≥0 подстраиваемого и опорного колебаний на периоде повторения в диапазоне от 0 до 2π.

Структура заявляемого устройства представлена на фиг. 1 и содержит следующие узлы: логический фазовый дискриминатор 1, формирователь двуполярных нелинейных управляющих напряжений 2, астатическое звено, состоящее из интегратора 3 и пропорционального звена 4, сумматор напряжений 5, подстраиваемый генератор 6, компараторы напряжений с нулевым порогом сравнения (преобразователи двуполярного напряжения в однополярное напряжение прямоугольной формы) 7 и 8, линию задержки 9 и регулятор уровня напряжения 10.

Опорное двуполярное напряжение U_вх подается на вход первого преобразователя 7 двуполярного напряжения в однополярное прямоугольное с уровнями цифровой логики, выходное напряжение U_оп которого подается на опорный вход ЛФД 1. Выходы ЛФД 1 подключены к входам формирователя нелинейных управляющих напряжений 2, выход которого соединен с входами интегратора 3 и пропорционального звена 4. Механизм работы формирователя 2 рассмотрен в [6, 7]. Выходы узлов 3 и 4 подключены к входам сумматора напряжения 5, выходной сигнал которого используется в качестве управляющего для подстраиваемого генератора (ПГ) 6. Выходное напряжение U_г ПГ 6 подается на вход регулятора напряжения 10, выход которого используется в качестве выхода функционального преобразователя. Выходное колебание U_вых, амплитуда которого изменяется регулятором напряжения 10, поступает на вход второго преобразователя 8, который изменяет форму двуполярного периодического колебания U_вых на однополярную прямоугольную U_пр с уровнями цифровой логики. Далее колебание U_пр, задержанное ЛЗ 9 и представленное в виде U_п, поступает на второй вход ЛФД 1.

Механизм работы заявляемого устройства поясняется временными диаграммами процессов, представленных на фиг. 2. Входное двуполярное напряжение U_вх прямоугольной формы (в принципе форма входного напряжения может быть произвольной, необходимым условием является то, что колебание должно быть двуполярным и иметь два перехода через нулевой уровень на периоде повторения), имеющее период повторения Г, подается на вход «+» преобразователя (компаратора) напряжения 7, на втором входе «-» которого устанавливается нулевой уровень напряжения. В результате на выходе компаратора 7 формируется однополярное прямоугольное напряжение U_оп, задержанное относительно U_вх на время t_ксрабатывания компаратора.

Предлагаемое устройство позволяет выполнять независимые регулировки фазы Δϕ и амплитуды U_A выходного колебания, не влияющие на точность подстройки, обеспечиваемую кольцом ФАПЧ. Для упрощения анализа форма выходного колебания выбрана двуполярной треугольной.

Для анализа поведения предлагаемого устройства рассмотрим сначала процесс регулирования амплитуды U_вых при нулевом фазовом рассогласовании Δϕ=0 (Δt=0) входного U_вх и формируемого колебаний U_вых и одинаковой задержке t_к колебаний преобразователями формы колебаний 7 и 8, а затем изменение Δϕ≠0 при установленном (заданным стабильным) значении U_А.

Так как кольцо ФАПЧ обеспечивает синхронизацию колебаний U_оп и U_п с фазовой ошибкой Δϕ=0 [7], при отсутствии задержки колебания U_пр, элементом ЛЗ (Δt=0) колебания U_оп и U_пр (а, следовательно, U_вх и U_вых) также не будут иметь фазового рассогласования.

Для того чтобы обеспечивать регулировку уровня U_A (фиг. 2) выходного колебания U_вых регулятор напряжения 10 (фиг. 1) можно выполнить путем последовательного включенных делителя напряжения с коэффициентом передачи 0<n≤1 и усилителя напряжения на операционном усилителе с коэффициентом усиления m≥1. В этом случае общий коэффициент усиления К_у РН будет определяться как К_у=mn. Возможный вариант построения регулятора напряжения показан на фиг. 3, где n=R/(R_n+R) и m=1+R_m/R. Резисторы с сопротивлениями R_n и R_m выполнены регулируемыми.

Задержка t_а колебания U_г в регуляторе напряжения 10 (фиг. 2) на точность подстройки U_вх и U_вых влияния не оказывает, поскольку выходное напряжение снимается с выхода РН. В этом случае точность подстройки колебания U_вых относительно U_вх зависит от задержек элементов 8 (7) и 9, стоящих между вторым входом ЛФД и выходом устройства. Для рассматриваемого случая задержка Δt колебания элементом 9 условно принята равной 0.

Изменение амплитуды U_A (фиг. 2) выходного колебания U_вых на точность подстройки фазы также влияние не оказывает, поскольку за РН 10 (фиг. 1) установлен компаратор (преобразователь 8), формирующий однополярное прямоугольное колебание U_пр из U_вых. Изменение амплитуды колебания напряжения U_вых (за исключением случая U_вых=0) не изменяет формы колебания U_пр, формируемого на выходе преобразователя 8.

Далее рассмотрим влияние элемента задержки 9 (фиг. 1) на величину фазового рассогласования входного и выходного колебаний. Поскольку линия задержки 9 осуществляет задержку колебания с уровнями цифровой логики, в простейшем случае она может быть реализована на RC-цепочке со стабильными значениями сопротивления R и емкости С.

Так как задержка t_к колебаний элементами 7 и 8 (в случае равенства этих задержек) и задержка t_а элементом 10 (фиг. 1) не оказывают влияния на точность подстройки U_вх и U_вых, во временных диаграммах (фиг. 4), поясняющих работу предлагаемого устройства, примем их равными нулю (t_к=0, t_a=0). Это упростит анализ работы предлагаемого устройства при наличии задержки колебания U_пр (а следовательно и U_вых) линией задержки 9 (фиг. 1) на величину Δt≠0. Задержанное колебание U_п посредством кольца ФАПЧ с ЛФД будет точно (без фазовой ошибки) синхронизировано с U_оп. В результате колебание U_пр будет опережать колебание U_оп на время Δt. Так как принято, что задержки между колебаниями U_вх и U_оп, а также между U_вых и U_пр равны [в анализе их считаем отсутствующими (t_к=0)], можно считать, что фазовый сдвиг колебания U_вых относительно колебания U_вх составит величину Δϕ=2πΔt/Т.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А.с. №351222 МКИ G01G 7/26. Периодический функциональный преобразователь. / Р.В. Гончаров, Ю.С. Ращепляев. Заявлено 11.01.71. (№1616157.18-24); опубл. 13.09.72, Бюл. №27.

2. А.с. №769564 МКИ G01G 7/26. Функциональный преобразователь формы колебаний. / П.П. Глузман, А.И. Дворсон, В.В. Юдин, Э.Г. Башканский. Заявлено 11.09.78. (№2664785.18-24); опубл. 07.10.8, Бюл. №37.

3. Цифровые системы фазовой синхронизации / М.И. Жодзишский, С.Ю. Сила-Новицкий, В.А. Прасолов и др.; Под ред. М.И. Жодзишского. - М.: Сов. Роадио, 1980. - 208 с.

4. А.с. №1307467 МКИ G01G 7/26. Функциональный генератор с синхронизацией частоты. / В.П. Большаков. Заявлено 30.05.88. (№4431892/24-24); опубл. 07.02.90, Бюл. №5.

5. Жилин Н.С. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике. - Томск: Радио и связь, 1989. - 384 с.

6. 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, Бюл. №20.

7. Холопов С.И. Анализ релейной системы ФАПЧ с обнуляемыми интеграторами // Вестник РГРТУ. 2011. №4 (выпуск 38). - С. 50-54.

Функциональный преобразователь с регулировкой амплитуды и фазы выходного колебания, содержащий первый и второй компараторы напряжения с нулевым порогом сравнения, элемент задержки, логический фазовый дискриминатор, прямой и инверсный выходы которого подключены к входам формирователя двуполярного напряжения с нелинейным законом изменения, выход которого соединен с входами пропорционального звена и интегратора, выходы которых раздельно подключены к входам сумматора напряжений, выход сумматора напряжений соединен с входом подстраиваемого генератора, формирующего двуполярное колебание, первый вход логического фазового дискриминатора подключен к выходу первого компаратора, вход которого является входом функционального преобразователя, отличающийся тем, что в его состав введен регулятор напряжения, вход которого подключен к выходу подстраиваемого генератора, а выход регулятора напряжения, являющийся выходом функционального преобразователя, соединен с входом второго компаратора напряжения, выход которого через элемент задержки подключен к второму входу логического фазового дискриминатора.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для улучшения фокусировки на цели и получения изображения исследуемого объекта с помощью радара, в частности радара с синтезированной апертурой.

Способ повышения точности тактовой и цикловой синхронизации в системах связи // 2669707

Изобретение относится к радиосвязи и может быть применено в системах связи с использованием абсолютного точного времени. Технический результат - повышение точности тактовой и цикловой синхронизации.

Делитель частоты, схема автоматической фазовой подстройки частоты, приёмопередатчик, радиостанция и способ частотного разделения // 2668737

Группа изобретений относится к вычислительной технике и может быть использована для приема колебательного сигнала и вывода выходного сигнала на частоте, имеющей частотное отношение к колебательному сигналу, определяемое с помощью коэффициента разделения.

Способ получения радиочастотного сигнала с уменьшенным уровнем побочных дискретных составляющих // 2647629

Изобретение относится к синтезаторам на основе петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Технический результат заключается в уменьшении уровня побочных дискретных составляющих выходного радиочастотного сигнала при одновременном сохранении достаточного низкого уровня фазовых шумов.

Способ синхронной передачи информации без ее трансляции // 2640630

Изобретение относится к области связи. Технический результат – обеспечение возможности автоматического изменения режима работы средств связи в любое время из передающего пункта, с одновременной синхронизацией на передающем и приемном пункте.

Способ достижения необходимого значения стабильности частоты генератора периодического сигнала при использовании генераторов частоты периодического (в том числе синусоидального) сигнала с тем же значением номинальной частоты, но с меньшими значениями стабильности // 2638962

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в аппаратуре различного назначения и измерительной технике. Способ достижения необходимого значения стабильности частоты генератора периодического сигнала при использовании генераторов периодического (в том числе синусоидального) сигнала с тем же значением номинальной частоты, но с меньшими значениями стабильности, заключается в том, что для достижения необходимого значения используется следующий рекуррентный подход.

Генератор шкалы времени // 2637872

Генератор шкалы времени относится к устройствам синхронизации сигналов по частоте, сдвигу фазы и шкале времени. Техническим результатом является повышение точности синхронизации шкалы времени.

Управление синхронизацией для несогласованного приемника сигнала // 2632406

Группа изобретений относится к запоминающим устройствам и может быть использована для управления синхронизацией для записи в запоминающие устройства в несогласованной архитектуре.

Устройство подавления боковых лепестков при импульсном сжатии симметрично усеченных многофазных кодов (варианты) // 2628475

Предлагаемые устройства относятся к радиолокационным и гидролокационным системам с импульсным сжатием многофазных кодов. Технический результат заключается в повышении качества сжатия сигналов, производится подавление боковых лепестков, возникающих в процессе сжатия, при котором обеспечивается увеличение числа многофазных кодов длины N, для всех значений временных сдвигов (отсчетов), исключая двух ±N, в которых относительный уровень боковых лепестков находится в диапазоне от -20 lgN -6 до -20 lgN -8 dB за счет использования симметрично усеченных кодов, образованных последовательным удалением равного числа первых и последних символов кодов большей длины.

Устройство подавления боковых лепестков при импульсном сжатии многофазных кодов р3 // 2625559

Изобретение относится к радиолокации и гидролокации. Технический результат – обеспечение подавления боковых лепестков для кода P3 нечетной длины.

Генератор многофазной системы эдс для мобильных устройств // 2671539

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для генерирования многофазной системы напряжений с заданной частотой и заданным числом фаз на основе использования импульсной техники.

Формирователь сигнала треугольной формы // 2628434

Изобретение относится к области радиотехники и вычислительной техники и может быть использовано в радиолокации, в преобразователях напряжение-временной интервал, в широтно-импульсных модуляторах.

Функциональный генератор // 2625555

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в измерительной технике и автоматике. Технический результат заключается в уменьшении нелинейных искажений гармонического сигнала.

Способ формирования периодических двуполярных колебаний с заданным фазовым сдвигом и устройство для его реализации // 2625047

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для формирования периодических колебаний с заданным фазовым сдвигом. Достигаемый технический результат - реализация регулируемого фазового сдвига двуполярных колебаний одинаковых частот в диапазоне [0, 2] с разрешающей способностью, обеспечиваемой аналоговым элементом управления фазой.

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 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.

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.

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.

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.

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.