ДВУХФАЗНЫЙ ГЕНЕРАТОР ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК H03B27/00 

Изобретение относится к импульсной и измерительной технике и может быть использовано в приборостроении, например в томографии на основе ядерного магнитного резонанса.

Целью изобретения является уменьшение нелинейных искажений выходных сигналов.

На фиг. 1 представлена структурная схема двухфазного генератора гармонических сигналов; на фиг. 2 пример конкретной реализации совокупности блоков генератора; на фиг. 3 диаграммы напряжений в отдельных точках генератора, поясняющие его работу.

Двухфазный генератор гармонических сигналов содержит управляемый генератор 1 пилообразного напряжения, первый 2 и второй 3 формирователи импульсов, инвертор 4, реверсивный счетчик 5 импульсов, второй и первый блоки 6, 7 постоянной памяти, первый 8 и второй 9 умножающие цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), первый 10 и второй 11 ЦАП, первый 12 и второй 13 сумматоры, равный 14 и второй 15 фильтры нижних частот, входные шины 16, 17 и выходные шины 18, 19 устройства.

Работает двухфазный генератор гармонических сигналов следующим образом.

Перед началом работы дискретные значения функций синуса и косинуса в диапазоне 0-360 заносятся в блоки 6, 7 постоянной памяти (в блок 7 записаны коды синуса, а в блок 6 косинуса).

В режиме генерации при подаче разрешающего потенциала на первый вход управляемого генератора 1 пилообразного напряжения (см. фиг. 3, а) снимается сигнал сброса реверсивного счетчика 5 и одновременно начинают формироваться прямое и инверсное пилообразные напряжения (см. фиг. 3, б, в) на выходах управляемого генератора 1 пилообразного напряжения и инвертора 4. Формирователи импульсов 2 и 3 вырабатывают тактовые импульсы (см. фиг. 3, г) синхронно с задним фронтом пилообразного напряжения, причем период пилообразного напряжения, а следовательно, и частота тактовых импульсов являются функцией амплитуды управляющего напряжения U, подаваемого на второй вход генератора 1. При этом знак прямого пилообразного напряжения определяется знаком управляющего напряжения U, а тактовые импульсы, формируются в зависимости от знака напряжения U на выходе только одного из формирователей импульсов 2 или 3.

Тактовые импульсы, поступая на один их входов (суммирующий или вычитающий) реверсивного счетчика 5, вызывают формирование на его выходных шинах кода, который поступает на адресные входы блоков 6, 7 постоянной памяти. Таким образом, изменение полярности управляющего напряжения U приводит к обращению аргумента времени генерируемых функций. Кодовые сигналы с выходов блоков 6, 7 постоянной памяти подаются на информационные входы ЦАП 10, 11, в результате чего на выходах последних формируются кусочно-постоянные сигналы, аппроксимирующие функции синуса и косинуса (см. фиг. 3, д, е). Одновременно кодовые сигналы с выходов блоков 6, 7 постоянной памяти поступают на цифровые входы соответственно второго 9 и первого 8 умножающих ЦАП, при этом на аналоговые входы умножающих ЦАП 8 и 9 подаются прямой и инверсный сигналы пилообразного напряжения с выходов генератора 1 и инвертора 4. Таким образом, на выходах умножающих ЦАП 8 и 9 формируются линейно изменяющиеся сигналы, амплитуда которых определяется текущими значениями соответственно косинусной и синусной функций (см. фиг. 3, ж, з). Аналоговые сигналы с выходов ЦАП 10 и умножающего ЦАП 8 суммируются в сумматоре 12. Аналогично сигналы с выходов ЦАП 11 и умножающего ЦАП 9 суммируются в сумматоре 13.

Работа двухфазного генератора гармонических сигналов описывается системой тригонометрических уравнений:
cos (a + b) cos a cos b sin a ˙ sin b
sin (a + b) sin a cos b + cos a sin b (1)
При генерации последовательности сегментов, аппроксимирующих гармонические сигналы с тактом квантования по времени dt получим
cos (n d t + d t) cos (n d t cos d t -sin (n d t) sin d t (2)
sin (n d t + d t) sin (n d t) cos d t + +cos (n d t) sin d t, где d t такт квантования по времени генерируемого сигнала;
n номер отсчета.

Из тригонометрии известны приближенные соотношения для области малых аргументов
cos dt ♂≈ 1
sin dt ≈ dt dt _→ 0 (3)
Тогда для интервала времени tε [n dt, (n+1) dt] можно записать
cos (t) ≈ cos (n dt) sin (n dt) q (t),
sin (t) ≈ sin (n dt) + cos (n d t) q (t), (4) где q (t) t n dt.

При анализе линейного множителя q (t) видно, что внутри каждого интервала времени t ε [n d t, (n+1) d t]
q (m) m,
m t n d t, т.е. является линейной функцией приращения времени между отсчетами, т. е. представляет собой пилообразную функцию времени t. Таким образом, на выходах сумматоров 12, 13 формируются кусочно-линейные сигналы, аппроксимирующие синусную и косинусную функции в соответствии с выражением (4) (см. фиг. 3, и, к). Фильтры 14, 15 нижних частот сглаживают выходные сигналы.

Погрешность выражений (4), обусловленная соотношениями (3), не зависит от текущего значения n номера отсчета и является функцией только величины dt. Поэтому величина погрешности может быть снижена до требуемых пределов выбором такта dt, что эквивалентно увеличению разрядности адреса постоянной памяти, содержащей отсчеты гармонических сигналов.

На фиг. 2 представлен пример конкретной реализации совокупности блоков управляемого генератора 1 пилообразного напряжения, формирователей импульсов 2 и 3 и инвертора 4. В состав данных блоков входят последовательно соединенные операционный усилитель У, включенный по схеме интегратора, и аналоговый инвертор Инв, аналоговый ключ КЗ, и два идентичных канала синхронизации для положительных и отрицательных значений входного напряжения U, поступающего со второй входной шины 17 устройства. Каждый канал синхронизации содержит последовательно соединенные источник опорного напряжения (ИОН), компаратор Ком, одновибратор Одн, аналоговый ключ К и конденсатор С. Вторые входы компараторов соединены с выходом усилителя У, который является выходом управляемого генератора 1 пилообразного напряжения. Управляющий вход ключа КЗ соединен с первой входной шиной 16 устройства. Выходы одновибраторов Одн1, Одн2 являются выходами первого и второго формирователей импульсов 2, 3. Аналоговые ключи К1, К2 подключают конденсаторы С1, С2 либо к соответствующему ИОН, либо к входу усилителя У. Если на первую входную шину 16 устройства (сигнал Старт) подан уровень логического нуля, то ключ КЗ закрыт и независимо от состояния второй входной шины 17 устройства (сигнал U) генерация отсутствует, одновременно этим же сигналом обнуляется реверсивный счетчик 5. Конденсаторы С1, С2 через ключи К1, К2 подключены к ИОН1, ИОН2. При подаче уровня логической единицы ключ К3 открывается, разрешая интегрирование на усилителе У входного напряжения U. Пусть напряжение U отрицательно. При достижении на выходе интегрирующего усилителя У напряжения, равного напряжению ИОН1, выход компаратора Ком1 переключается с логической единицы на логический нуль. Это вызывает срабатывание одновибратора Одн1, который на короткое время подключает конденсатор С1 к входу усилителя У.

Напряжение на выходе усилителя У за счет разряда конденсатора спадает до нуля (задний фронт пилообразного напряжения). Инвертор Инв (инвертор 4) формирует инверсное пилообразное напряжение. Аналогично, при подаче положительного напряжения U срабатывает другой канал генератора пилообразного напряжения и тактовых импульсов. Таким образом, при наличии разрешающего уровня на входе Старт происходит формирование прямого и инверсного пилообразных напряжений и синхронизированных с ним тактовых импульсов на выходах одного из формирователей импульсов, причем период пилообразного напряжения (а, следовательно, и частота следования импульсов) является функцией амплитуды управляющего напряжения U. Знак пилообразного напряжения определяется полярностью управляющего напряжения U, а тактовые импульсы формируются в зависимости от знака напряжения U на выходе только одного из двух одновибраторов.

Таким образом, совокупность описанных признаков позволяет повысить точность и снизить нелинейные искажения при воспроизведении гармонических сигналов, находящихся в квадратуре, за счет использования кусочно-линейной аппроксимации формы генерируемого сигнала, получаемой на основе установления перекрестных связей между каналами двухфазного генератора.

Использование: в импульсной и измерительной технике, а также в приборостроении. Сущность изобретения: двухфазный генератор гармонических сигналов содержит управляемый генератор 1 пилообразного напряжения, формирователи импульсов 2,3, инвертор 4, реверсивный счетчик 5, блоки 6,7 постоянной памяти, умножающие цифроаналоговые преобразователи 8,9, цифроаналоговые преобразователи 10,11, сумматоры 12,13, фильтры 14,15 нижних частот. На выходах умножающих цифроаналоговых преобразователей 8, 9 формируются линейно-изменяющиеся сигналы, амплитуды которых определяются текущими значениями соответственно косинусной и синусной функций. Нелинейные искажения выходных сигналов уменьшаются вследствие повышения точности кусочно-линейной аппроксимации выходных сигналов, находящихся в квадратуре. 3 ил.

ДВУХФАЗНЫЙ ГЕНЕРАТОР ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, содержащий последовательно соединенные реверсивный счетчик, первый блок постоянной памяти, первый умножающий цифроаналоговый преобразователь и первый сумматор, последовательно соединенные второй блок постоянной памяти, второй умножающий цифроаналоговый преобразователь и второй сумматор, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, отличающийся тем, что, с целью уменьшения нелинейных искажений выходных сигналов, введены управляемый генератор пилообразного напряжения, инвертор, первый фильтр нижних частот, вход которого подключен к выходу первого сумматора, второй фильтр нижних частот, вход которого подключен к выходу второго сумматора, первый и второй формирователи импульсов, выходы которых соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика, при этом аналоговый вход первого умножающего цифроаналогового преобразователя соединен с входами первого и второго формирователей импульсов, с входом инвертора и подключен к выходу управляемого генератора пилообразного напряжения, первый вход которого соединен с входом обнуления реверсивного счетчика и является входом сигнала "Пуск" двухфазного генератора гармонических сигналов, входы первого и второго цифроаналоговых преобразователей соединены с выходами соответственно второго и первого боков постоянной памяти, выходы первого и второго цифроаналоговых преобразователей соединены с другими входами соответственно первого и второго сумматоров, аналоговый вход второго умножающего цифроаналогового преобразователя подключен к выходу инвертора, а второй вход управляемого генератора пилообразного напряжения является входом управляющего напряжения двухфазного генератора гармонических сигналов, первым и вторым выходами которого являются выходы соответственно первого и второго фильтров нижних частот.