СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1999 года по МПК G06G7/26 H03B1/00 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и, в частности, к технике генерирования колебаний специальной формы и может составить основу новой отрасли радиотехники с новыми возможностями управления текущей фазой колебания. Предлагаемое изобретение обеспечивает генерирование гармонических колебаний либо с заданной нарастающей фазой, либо с заданной убывающей фазой.

В машинном моделировании нашла применение операция тригонометрического функционального преобразования диапазона входных напряжений, моделирующих главные значения аргумента, в другой, моделирующий один период гармонической зависимости [1]. В частности, эти приемы применяются для моделирования периодических характеристик фазовых детекторов [2].

Сущность известного способа заключается следующем.

1. Выбирают диапазон входных напряжений, моделирующих абсциссу тригонометрической зависимости, например, косинусоиды, в пределах главных значений.

2. По выбранному диапазону входных напряжений производят кусочно-линейную аппроксимацию ординат одного периода моделируемой зависимости.

3. Подвергают тригонометрическому преобразованию напряжения из выбранного диапазона.

4. Используют результат тригонометрического преобразования этих напряжений в качестве моделируемой периодической зависимости.

Отметим следующие достоинства этого способа. 1) Одна и таже совокупность операций может моделировать разные зависимости (косинус, синус, арксинус). 2) Порядок прохождения диапазона напряжений произвольный.

Недостатком известного способа является отсутствие типовых приемов сопряжения моделируемой зависимости, когда абсцисса выходит за пределы главных значений, в связи с чем пользователь аналоговой машины должен в каждом конкретном случае разрабатывать свои приемы сопряжения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому эффекту является способ моделирования нелинейных характеристик фазовых детекторов [2], где такие приемы сопряжения применяются. Способ осуществляют следующим образом.

1. Выбирают диапазон входных напряжений U_н < U < U_к, моделирующих сдвиг по фазе детектируемых колебаний в пределах главных значений.

2. По выбранному диапазону входных напряжений производят кусочно-линейную аппроксимацию ординат одного периода моделируемой характеристики фазового детектора, например, косинусоиды.

3. Подвергают тригонометрическому преобразованию произвольное напряжение U из выбранного диапазона.

4. Используют результат тригонометрического преобразования U в качестве моделируемой периодической зависимости, например, F(U) = V₀cosU.

5. Входное напряжение предварительно интегрируют.

6. Непрерывно сравнивают результат интегрирования U с постоянными напряжениями: U_н - начала диапазона, U_к - конца диапазона.

7. При U > U_к за время t << T - времени прохождения всего интервала от U_н до U_к, прерывают операцию интегрирования, вводят начальное условие U_о = U_н.

8. При U < U_н на время t прерывают операцию интегрирования, вводят начальное условие U_о = U_к.

9. По истечении времени t продолжают операцию интегрирования.

Достоинством этого способа является то, что сопряжение зависимости при бесконечном движении моделируемой разности фаз в сторону ее увеличения или в сторону ее уменьшения происходит автоматически.

Недостатком его является сложность группы операций (от 5 до 9), обеспечивающих сопряжение периодов моделируемой зависимости. Кроме операции интегрирования требуются 2 сравнения и 4 переключения.

Первой технической задачей, решаемой изобретением, является генерирование незатухающих гармонических колебаний со строго регламентируемым порядком изменения мгновенной фазы, либо только с нарастающим характером изменения фазы, либо только с убывающими.

Второй технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является упрощение совокупности операций по сопряжению колебаний при выходе мгновенной фазы за пределы главных значений.

Первая и вторая поставленные задачи решаются тем, что в известном способе моделирования периодических зависимостей, включающем выбор диапазона преобразуемых напряжений и кусочно-линейную аппроксимацию одного периода моделируемой гармонической зависимости, диапазон преобразуемых напряжений образуют генерированием пилообразно убывающего колебания с резким скачком во время обратного хода, а управление знаком фазы генерируемых колебаний осуществляют инвертированием этого пилообразного колебания.

Сопоставительный анализ заявленного изобретения с прототипом показывает, что способ отличается от известного следующими признаками.

1. В качестве диапазона входных напряжений выбирают пилообразно убывающее колебание.

2. Управление знаком приращения фазы осуществляют инвертированием пилообразно убывающего колебания.

Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Заявленный способ генерирования колебаний обладает гораздо более широкой областью применения, чем прототип. Прототип применим только в узких условиях аналого-цифровых и аналоговых машин, обеспечивая машинное моделирование периодических характеристик фазовых детекторов. Предлагаемый способ применим во всей радиотехнике, т.к. открывает перспективу генерирования нового типа гармонических колебаний с заданным порядком изменения текущей фазы [4].

Проведем теперь анализ изобретательского уровня предложенного способа генерирования колебаний.

Отличительные приемы предлагаемого способа каждый в отдельности в современной радиоизмерительной и вычислительной отраслях техники являются известными и широко распространенными. Так, генерирование периодических пилообразно убывающих колебаний, операция инвертирования каждые в отдельности не являются новыми и широко применяются в радио и вычислительной технике. Однако в сочетании с приемом тригонометрического преобразования диапазона входных напряжений в выходные напряжения, моделирующим один период гармонической зависимости, эти приемы обеспечивают генерирование гармонических колебаний с заданным порядком изменения фазы.

Анализ многих технических решений на предмет выявления в них похожих свойств не выявил таких решений.

Вышеприведенный анализ позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 приведена кусочно-линейная аппроксимация одного периода тригонометрической функции (косинусоиды). На фиг. 2 показаны осциллограммы операций способа, на фиг. 3 дан пример технической реализации.

Кусочно-линейная аппроксимация одного периода косинусоиды (фиг. 1) осуществляется типовыми приемами аналоговой вычислительной техники (см. [1] стр. 95). Диапазону входных напряжений U от U_н до U_к соответствуют значения ординат косинусоиды V в пределах главных значений от -K_Ф • П до +K_ф • П, где K_ф - масштабный коэффициент в В/град, а П = 180 град.

Динамика процесса генерирования гармонических колебаний с заданным характером изменения фазы поясняется осциллограммами фиг. 2, сначала при нарастающем изменении фазы Ф, а затем при убывающем (фиг. 2в). Пилообразное напряжение U (фиг. 2б) с перепадом от U_н до U_к адекватно моделирует вышеприведенное изменение фазы Ф. При достижении напряжением U значения U_к происходит скачок к значению U_н, а нарастающему изменению фазы Ф соответствует положительное приращение напряжения U. При смене характера изменения фазы (на фиг. 2а показано жирной линией) наклон пилы становится отрицательным (см. фиг. 2б также жирная линия). Синусоидальное напряжение U (фиг. 2в) имеет следующую особенность: на первой части осциллограммы (линия нежирная) фаза нарастает, на второй части (линия жирная) фаза убывает.

Полный перечень операций предлагаемого способа заключается в следующем.

1. Осуществляют тригонометрическое преобразование диапазона входных напряжений в выходные напряжения, моделирующие один период гармонической зависимости.

2. Выбирают в качестве диапазона входных напряжений пилообразно убывающее напряжение с резким скачком во время обратного хода.

3. Управляют знаком фазы генерируемых колебаний инвертированием пилообразно убывающего колебания.

Заявленный способ генерирования колебаний может быть реализован генератором, структурная схема которого показана на фиг. 3. Генератор гармонических колебаний с заданным характером изменения фазы состоит из последовательно включенных генератора пилообразно убывающих колебаний 1, инвертора 2, первого входа переключателя 3 на два положения и тригонометрического блока 4. Второй вход переключателя подключен к выходу генератора 1. В блоке 4 выбран диапазон входных напряжений от - 9В до +9В (U_н = -9В, U_к = +9В) для моделирования фазы косинуса в пределах от -П до +П (операция 1 предлагаемого способа). По выбранному диапазону входных напряжений на элементах блока 4 произведен набор кусочно-линейной кривой (см. фиг. 1), аппроксимирующей косинусоиду в пределах главных значений (операция 1 предлагаемого способа, общая с прототипом). Генератор 1 своим выходным напряжением полностью перекрывает выбранный диапазон входных напряжений блока 4 от -9В до +9В (операция 2 предлагаемого способа), что обеспечит воспроизведение во времени косинусоиды в пределах главных значений, а резким скачкам во время обратного хода соответствует сопряжение одного периода с другим во впадинах косинусоиды (на фиг. 2в отмечены *).

Генератор пилообразно убывающих колебаний может быть выбран типовым (см. стр. 215 в [3]), инвертор может быть реализован на операционном усилителе, например, УТ-403, УТ-412 и др. [3] , тригонометрический блок может быть применен от АВМ, например, ЭМУ200 (Русалка) (см. в [1], стр. 159).

Список использованных источников
1. Шор И.Я., Левин М.Г. Справочник пользователя аналоговых и аналого-цифровых вычислительных систем/Под ред. И.М. Витенберга. Кишинев: Штиница, 1986 г., с. 95, 159.

2. Прокофьев Е.В. Исследование систем автоподстройки частоты на аналоговых вычислительных машинах, Кандидатская диссертация, 1973 г., с. 51.

3. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы/Под ред. С.В. Якубовского. - 2-е изд., перераб. - М.: Радио и связь, 1984 г., с. 215.

4. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний /Под ред. Н.А. Железцова, М.: Физматгиз, 1959 г., стр. 49.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для генерирования колебаний специальной формы. Достигаемым техническим результатом является генерирование незатухающих гармонических колебаний со строго регламентируемым порядком изменения мгновенной фазы, либо только с нарастающим характером изменения фазы, либо только с убывающим, а также упрощение совокупности операций по сопряжению колебаний при выходе мгновенной фазы за предел главных значений. Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе генерирования колебаний, включающем тригонометрическое преобразование диапазона входных напряжений в выходные напряжения, моделирующие один период гармонической зависимости, в качестве диапазона входных напряжений выбирают пилообразно убывающее колебание с резким скачком во время обратного хода, а управление знаком фазы генерируемых колебаний осуществляют инвертированием его. 3 ил.

Способ генерирования колебаний, включающий тригонометрическое преобразование диапазона входных напряжений в выходные напряжения, моделирующие один период гармонической зависимости, отличающийся тем, что в качестве диапазона входных напряжений выбирают пилообразно убывающее колебание с резким скачком во время обратного хода, а управление знаком фазы генерируемых колебаний осуществляют инвертированием его.