УПРАВЛЯЕМЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1999 года по МПК H03K3/86 H03K5/159 

Настоящее изобретение относится к генераторам импульсов с электронной перестройкой частоты.

Уровень техники
Генераторы с управляемой частотой импульсов применяются в устройствах синхронизации при передаче дискретной информации, частотных синтезаторах, частотных и фазовых модуляторах и демодуляторах.

В качестве управляемых генераторов импульсов широко используются релаксационные мультивибраторы, в которых изменение частоты достигается изменением тока перезаряда времязадающего конденсатора (Рефиоглу И. Обеспечение стабильности в интегральных генераторах. - Электроника, 1980, N 20, c.35 - 43, рис. 3). Однако в таких генераторах стабильность частоты импульсов при неизменном управляющем напряжении низка из-за сильной зависимости времязадающих цепей от температуры и управляющего напряжения.

Известны также кварцевые генераторы с управляемой частотой колебаний (Альтшуллер Г. Б. , Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г. Кварцевые генераторы: Справ. пособие. М. : Радио и связь, 1984, с. 146, рис. 10.3). В таких генераторах при очень высокой стабильности частоты импульсов невозможно получить широкий диапазон ее перестройки.

Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для восстановления синхронизации (Чулков В. А. и др. Синхронизация воспроизведения с использованием дополнительного опорного сигнала. - Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ, 1977, вып. 13, с.39, рис.2). Устройство включает опорный генератор, подключенный к опорному входу блока переменной задержки (фазовращателя), имеющего сигнальные выход и вход. В этом устройстве осуществляется кратковременная перестройка частоты импульсов путем воздействия на фазу импульсов опорного генератора стабильной частоты в соответствии с выражением
Δω(t) = d[Δϕ(t)]/dt,
где Δω(t) - приращение угловой частоты, Δϕ(t) - приращение фазы, t - время. Согласно приведенному выражению линейное изменение фазы импульсов равносильно изменению на постоянную величину их частоты.

Стабильность собственной частоты устройства-прототипа при неизменном управляющем напряжении (Δϕ = const) может быть очень высокой, если использовать, например, кварцевый опорный генератор ( Δω = 0 и частота выходных импульсов равна частоте опорного генератора). В то же время в этом устройстве можно получить только периодическое изменение выходной частоты с знакопеременным приращением, поэтому устройство оказывается непригодным для непосредственно использования в большинстве радиоэлектронных систем, где требуется произвольное изменение частоты местного генератора. Этот недостаток, ограничивающий функциональные возможности устройства-прототипа, обусловлен конечным диапазоном перестройки времени задержки в блоке переменной задержки.

Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является создание нового класса генераторов импульсов с электронной перестройкой частоты путем непрерывного и неорганического во времени изменения текущей задержки выходных импульсов относительно опорных импульсов генератора стабильной частоты. Это позволит достичь высокой стабильности частоты импульсов при неизменном управляющем сигнале, соизмеримой со стабильностью частоты опорного генератора, например стабилизированной кварцевым резонатором. Кроме того, это позволит расширить диапазон перестройки частоты импульсов и расширить функциональные возможности управляемого генератора.

Указанная цель достигается за счет управления ограничений на диапазон времени задержки импульсов опорного генератора. В соответствии с настоящим изобретением импульсы опорного генератора задерживаются одновременно в двух идентичных блоках переменной задержки, которые используются поочередно: один из названных блоков осуществляет рабочую непрерывно нарастающую задержку опорных импульсов, в то время как другой находится в резерве, автоматически настраиваясь на исходное время задержки, равное одному опорному периоду. В момент, когда рабочая задержка в первом блоке достигает значения двух опорных периодов, срабатывает триггер, который переводит первый блок переменной задержки в резервный режим, а второй - в рабочий с непрерывным увеличением времени задержки. Выбор выходных импульсов того или иного блока переменной задержки осуществляет мультиплексор под управлением названного триггера. Одновременно триггер с помощью входного демультиплексора подключает управляющий сигнал к сигнальному входу рабочего блока переменной задержки. Управляющий сигнал задает скорость изменения времени задержки выходных импульсов относительно опорных и тем самым определяет значение выходной частоты. Благодаря поочередной работе блоков переменной задержки обеспечивается режим квазинепрерывной задержки выходных импульсов и снимается ограничение на диапазон изменения времени задержки.

Устройство согласно настоящему изобретению можно рассматривать как приставку к опорному генератору для изменения частоты выходных импульсов этой приставки без воздействия на опорную частоту. Один опорный генератор может быть снабжен несколькими такими выходными приставками для получения сетки частот с независимыми или коррелированными законами их изменения.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит опорный генератор, нагруженный на опорные входы двух блоков переменной задержки, сигнальные входы которых соединены с соответствующими выходами аналогового демультиплексора, входом связанного с входным зажимом устройства через преобразователь напряжения в ток. Сигнальные выходы блоков переменной задержки подключены к входам цифрового мультиплексора, выходом связанного с выходным зажимом устройства через одновибратор. Каждый блок переменной задержки снабжен также логическими входом и выходом, причем логические выходы обоих блоков присоединены к соответствующим входам триггера, один из выходов которого подключен к логическому входу первого переменной задержки, а второй выход - к логическому входу второго блока переменной задержки и к адресным входам демультиплексора и мультиплексора.

Каждый блок переменной задержки может быть выполнен на трех управляемых одновибраторах, включенных последовательно между опорным входом и сигнальным выходом блока. Выходы всех управляемых одновибраторов подключены к соответствующим входам первого конъюнктора и дизьюнктора, кроме того, выходы первого и третьего управляемых одновибраторов присоединены к соответствующим входам второго конъюнктора, оставшийся вход которого служит логическим входом блока переменной задержки. Выходы второго конъюнктора и дизъюнктора подключены к соответствующим входам интегратора, выходом присоединенного к управляющим входам всех управляемых одновибраторов и к сигнальному входу блока переменной задержки, логическим выходом которого служит выход первого конъюнктора.

Интегратор, входящий в состав блока переменной задержки, может быть выполнен в виде двух нагруженных на общий соединенный с выходом конденсатор коммутируемых источников тока, управляющие входы которых служат соответствующими входами интегратора.

Перечень фигур чертежей
Фиг. 1 - электрическая функциональная схема управляемого генератора импульсов в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 - временные диаграммы характерных сигналов в схеме управляемого генератора импульсов, показанной на фиг. 1.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Функциональная схема устройства согласно настоящему изобретению показана на фиг. 1. Устройство включает первый блок 1 переменной задержки, второй блок 2 переменной задержки, опорный генератор 3, входной зажим 4, преобразователь 5 напряжения в ток, аналоговый демультиплексор 6, триггер 7 и цифровой мультиплексор 8, связанный одновибратор 9 с выходным зажимом 10.

Выход опорного генератора 3 подключен к опорным входом 101 и 201 соответственно блоков 1 и 2 переменной задержки, сигнальные входы 102 и 202 которых подключены к разным выходам аналогового демультиплексора 6, сигнальным входом связанного с входным зажимом 4 через преобразователь 5 напряжения в ток. Логические входы 103 и 203 блоков 1 и 2 переменной задержки соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера 7, входы S и R которого подключены к логическим выходам 104 и 204 блоков 1 и 2 переменной задержки. Логические выходы 105 и 205 упомянутых блоков 1 и 2 переменной задержки присоединены к разным сигнальным входам мультиплексора 8.

Структуры блоков 1 и 2 переменной задержки идентичны. В блок 1 переменной задержки входят последовательно соединенные и включенные между опорным входом 101 и сигнальным выходом 105 управляемые одновибраторы 106, 107 и 108. Время выдержки этих одновибраторов выбирается одинаковым, причем время выдержки линейно зависит от управляющего напряжения, а суммарное время задержки от момента запуска цепи одновибраторов импульсов на опорном входе 101 до окончания импульса одновибратора 108 на сигнальном выходе 105 может составлять от одного до двух периодов опорного генератора 3 (опорных периодов). Выходы одновибраторов 106, 107 и 108 соединены с входами дизъюнктора 109 и конъюнктора 110, а выходы одновибраторов 106 и 108 соединены, кроме того, с выходами конъюнктора 111, третий вход которого подключен к логическому входу 103 блока переменной задержки. Выход конъюнктора 110 присоединен к логическому входу 104 блока переменной задержки. Выход конъюнктора 110 присоединен к логическому входу 104 блока переменной задержки. Выходы конъюнктора 111 и дизъюнктора 109 подключены к соответствующим входам интегратора 112, у которого выход связан одновременно с сигнальным входом 102 блока переменной задержки и с управляющими входами одновибраторов 106...108. Уменьшению напряжения на управляющих входах одновибраторов 106...108 соответствует увеличение их времени выдержки.

Интегратор 112, в свою очередь, состоит из пары коммутируемых источников 113 и 114 тока (113 - втекающего тока, 114 - вытекающего тока), выходами соединенных с интегрирующим конденсатором 225, на котором и образуется управляющее напряжение для одновибраторов 106...108. Токи источников 113 и 114 тока выбираются существенно больше максимального выходного тока преобразователя 5 напряжения в ток.

Принцип действия управляемого генератора импульсов иллюстрируется временными диаграммами фиг. 2.

Опорный генератор 3 вырабатывает непрерывную последовательность опорных импульсов 11 со стабильным периодом T_o, которые поступают одновременно на опорные входы 101 и 201 обоих блоков 1 и 2 переменной задержки. Одновибраторы 106. . . 108 в блоке 1 переменной задержки вырабатывают поочередно импульсы 12, 13 и 14, а одновибраторы 206...208 в блоке 2 переменной задержки - импульсы 15, 16 и 17.

В исходном состоянии устройства блок 1 переменной задержки выполняет резервные функции и автоматически настраивается таким образом, чтобы сумма времен выдержки трех одновибраторов 106...108, составляющая время задержки t_з1 (фиг. 2) сигнала от опорного входа 101 до сигнального выхода 105, была равна опорному периоду T_o. В этом исходном состоянии сумма времен выдержки трех одновибраторов 206. ..208 в блоке 2 переменной задержки, составляющая время t_з2 (фиг. 2) сигнала от опорного входа 201 до сигнального выхода 205, непрерывно увеличивается, стремясь к значению двух опорных периодов 2 T_o.

В некоторый момент времени задержка t_з2 увеличивается до значения, превышающего два опорных периода 2T_o. В этот момент происходит совпадение высоких "единичных" уровней напряжения (фиг. 2 - 18) на выходах всех одновибраторов 206, 207 и 208 в блоке 2 переменной задержки, поэтому на выходе конъюнктора 210 и, следовательно, на логическом выходе 204 блока 2 переменной задержки появляется импульс 19. Этот импульс поступает на вход R триггер 7 и сбрасывает его, т.е. устанавливает на его прямом выходе низкий уровень логического нуля (20 на фиг. 2), а на его инверсном выходе - высокий уровень логической единицы.

Высокий уровень логической "1" с прямого выхода триггера 7 через логический вход 203 поступает на один из входов конъюнктора 211, разрешая его работу. Кроме того, этот же уровень напряжения логической "1", поступая на адресные входы демультиплексора 6 и мультиплексора 8, переключают их в положения, когда сигнальный вход демультиплексора 6 замыкается с его верхним сигнальным выходом, а сигнальный выход мультиплексора 8 замыкается с верхним сигнальным входом. При этом управляющий сигнал - напряжение на входном зажиме 4 после преобразования в ток в преобразователе 5 напряжения в ток поступает на сигнальный вход 102 блока 1 переменной задержки, сигнальный выход 105 которого через мультиплексор 8 и одновибратор 9 подключается к выходному зажиму 10.

Поскольку на верхнем входе конъюнктора 211 в блоке 2 переменной задержки после переключения триггера 7 оказывается уровень логической "1", то он фиксирует совпадение единиц на всех своих входах, так как на двух других его входах присутствуют высокие уровни логической "1" с выходов одновибраторов 206 и 208 (21 на фиг. 2). Поэтому на его выходе возникает последовательность импульсов 22, поступающая на первый вход интегратора 212 и вызывающая благодаря включению источника 213 втекающего тока уменьшение напряжения на выходе интегратора (участок 24 на диаграмме 23). Уменьшение напряжения на выходе интегратора 212, являющегося управляющим напряжением одновибраторов 206.. . 208, обусловливает быстрое уменьшение их времени выдержки, которое продолжается до момента, когда их суммарное время задержки доводится до значения одного опорного периода T_o. В этот момент на выходе дизъюнктора 209 появляется импульс 25 с низким рабочим уровнем, который корректирует выходное напряжение интегратора 212, подзаряжая конденсатор 215, и, следовательно, корректирует время задержки t_з2. Время задержки t_з2 в дальнейшем за счет импульсов 22 и 25 рассогласования поддерживается точно равным T_o.

Выходной ток преобразователя 5 напряжения в ток является вытекающим, т. е. ориентирован к сигнальному входу демультиплексора 6. Этот ток благодаря его подключения через демультиплексор 6 к сигнальному входу блока 1 переменной задержки линейно заряжает интегрирующий конденсатор 115 со скоростью, пропорциональной напряжению U_вх на входном зажиме 4 (диаграмма 26 на фиг. 2), в соответствии с выражением
(1)
где U_вх(t) - напряжение на интегрирующем конденсаторе 115,
U_о1 - значение U_c при t = 0,
α - коэффициент преобразования преобразователя 5 напряжения в ток,
C - емкость конденсатора 115.

При U_c = U_о1 до начала заряда конденсатора 115 время задержки t_з1 поддерживалось автоматически равным опорному периоду T_o. С началом заряда конденсатора 115 по мере повышения U_c(t) время задержки t_з1 увеличивается. Если время задержки t_з1 пропорционально величине управляющего напряжения
t_з1 = βU_c, (2)
где β - крутизна управляющей характеристики последовательной цепи одновибраторов 106...108 (с/В), то, подставляя (1) в (2), имеет
(3)
Крутизна β выбирается таким образом, чтобы βU_o1 = T_o.
Тогда
(4)
По каждому отрицательному фронту импульса 14 одновибратора 108 одновибратор 9 формирует импульс 27 на выходном зажиме 10. За счет непрерывно нарастающей задержки импульсов 27 относительно опорных импульсов 11 период T выходных импульсов оказывается больше опорного периода T_o. Приращение периода
ΔT = T-T_o
равно увеличению времени задержки t_з1 за один опорный период, т.е.

(5)
где i - номер текущего опорного периода. Текущий период T выходных импульсов 27 на выходном зажиме 10 составляет
(6)
а частота
(7)
Последнее выражение при ΔT ≪ T после разложения в степенной ряд и отбрасывания величин второго порядка малости приобретает более наглядный вид
F = (1-γU_bx)F_o, (8)
где γ = αβ/C, а F_o = 1/T.

В некоторый момент времени время задержки t_з1 достигает значения двух опорных периодов 2T_o при этом конъюнктор 110 фиксирует совпадение логических "1" на всех своих входах (28 на фиг. 2), и вырабатываемый на его выходе импульс переключает триггер 7 в исходное взведенное состояние (диаграмма 20). Триггер 7 переключает демультиплексор 6 и мультиплексор 8, которые выбирают в качестве рабочего блока 2 переменной задержки, а блок 1 переменной задержки переводят в резерв. Далее устройство работает в порядке, описанном выше, с той разницей, что на значение T_o настраивается задержка t_з1, а в качестве выходных импульсов 27 используются задержанные в блоке 2 переменной задержки и сформированные по длительности одновибратором 9 импульсы. Так как в момент переключения триггера 7 отрицательные фронты импульса 14 на сигнальном выходе 105 блока 1 переменной задержки и импульса 17 на сигнальном выходе 205 блока 2 переменной задержки совпадают во времени, то при замене одной последовательности импульсов на другую на выходном зажиме 10 не происходит фазового скачка и переходного процесса.

Таким образом, на выходном зажиме 10 управляемого генератора импульсов формируются регулярные импульсы 27 с частотой, которая отличается от опорной частоты на величину, пропорциональную входному напряжению на зажиме 4.

На момент подачи заявки на патент разработана принципиальная электрическая схема устройства на микросхемах серии K555.

Генератор импульсов с электронной перестройкой частоты использует принцип косвенного воздействия на частоту импульсов путем модуляции из фазы. Для модуляции фазы без ограничения диапазона в устройстве применяются два идентичных блока переменной задержки, подключенные к опорному генератору. Блоки переменной задержки поочередно выполняют рабочие функции, осуществляя нарастающую задержку опорных импульсов на время от одного до двух опорных периодов. По достижении задержкой значения двух опорных периодов рабочие функции с помощью демультиплексора и мультиплексора, управляемых триггером, передаются резервному блоку переменной задержки, предварительно настроенному на один опорный период. Технический результат: непрерывное и неограниченное во времени изменение текущей задержки выходных импульсов относительно опорных импульсов генератора стабильной частоты, расширение диапазона перестройки частоты импульсов. 1 з.п.ф-лы., 2 ил.

1. Управляемый генератор импульсов, содержащий опорный генератор, подключенный к опорному входу первого блока переменной задержки, имеющего также сигнальные входы и выход, отличающийся тем, что в него введены демультиплексор, связанный с входным зажимом через преобразователь напряжения в ток, мультиплексор, соединенный с выходным зажимом через одновибратор, триггер и второй блок переменной задержки, каждый блок переменной задержки, опорные входы которых объединены, снабжен логическими входом и выходом, при этом сигнальные входы блоков переменной задержки подключены к соответствующим выходом демультиплексора, сигнальные выходы - к соответствующим входам мультиплексора, логические выходы присоединены к соответствующим входам триггера, один выход триггера подключен к адресным входам демультиплексора и мультиплексора, логические входы первого и второго блоков переменной задержки соединены с соответствующими выходами триггера. 2. Управляемый генератор импульсов по п.1, отличающийся тем, что каждый блок переменной задержки содержит включенную между опорным входом и сигнальным выходом последовательную цепь из первого, второго и третьего управляемых одновибраторов, управляющие входы которых присоединены к сигнальному входу блока переменной задержки и выходу интегратора, выходы всех управляемых одновибраторов соединены с соответствующими входами первого конъюнктора и дизъюнктора, выходы первого и третьего управляемых одновибраторов подключены к соответствующим входам второго конъюнктора, выходом соединенного с первым входом интегратора, второй вход которого объединен с выходом дизъюнктора, причем оставшийся вход второго конъюнктора служит логическим входом блока переменной задержки, а выход первого конъюнктора - его логическим выходом.