ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2004 года по МПК G06G7/26 

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к технике генерирования электрических сигналов, в частности к функциональным генераторам для одновременного генерирования прямоугольного, треугольного и синусоидального напряжений.

Уровень техники
В технике измерений и контроля радиоэлектронной аппаратуры и приборов широко применяются функциональные генераторы для получения синхронных электрических сигналов прямоугольной, треугольной и синусоидальной формы. Технические средства реализации функциональных генераторов общеизвестны.

Известен, например, функциональный генератор, состоящий из блока генерации частоты, нагруженного на генератор треугольного напряжения в виде интегратора с обратной связью через буферный усилитель, компаратор и блок накачки заряда, в котором выход генератора треугольного напряжения соединен с входами блоков формирования гармонического и прямоугольного сигналов [1]. Блок формирования гармонического сигнала выполняется обычно по безынерционной схеме диодного функционального преобразователя [2, 3], что обеспечивает работу функционального генератора в широком диапазоне частот. В структуре известного устройства блок формирования гармонического сигнала и генератор треугольного напряжения работают независимо друг от друга, что приводит к нелинейным искажениям гармонического напряжения при нестабильной амплитуде треугольного напряжения. Ввиду этого в данном аналоге не достигается высокая точность выходной функции синуса.

Из известных аналогов наиболее близок по технической сущности к настоящему изобретению функциональный генератор, включающий генератор треугольного напряжения, первый выход которого подключен к выходному зажиму релейной функции, а второй выход - к выходному зажиму линейной функции и к входу функционального преобразователя, выход которого соединен с выходным зажимом синусоидальной функции [4]. Функциональный преобразователь в данном генераторе выполняется по схеме диодного кусочно-линейного аппроксиматора, обеспечивающего воспроизведение функции синуса. Функциональный преобразователь включает первый и второй многозвенные резистивные делители напряжения, соединенные с опорными входами, и набор последовательно соединенных пар диодов, каждая из которых включена между соответствующими промежуточными отводами первого и второго многозвенных резистивных делителей напряжения, при этом точки соединения диодов в каждой паре через соответствующие резисторы присоединены к выходу функционального преобразователя, который через входной резистор подключен к его входу. Напряжения на опорных входах в известном устройстве формируются двумя источниками напряжения разных полярностей. Основным условием точного воспроизведения функции синуса является жесткая связь напряжений на промежуточных отводах многозвенных резистивных делителей напряжения с амплитудой треугольного напряжения.

Достоинства устройства-прототипа связаны с релаксационным характером времязадающего процесса и безынерционностью функционального преобразования. В частности, генератор способен работать в широком диапазоне частот без искажения формы сигналов, а также работать в старт-стопном режиме при формировании фрагментов выходных функций.

Недостаток устройства-прототипа состоит в низкой точности воспроизведения функции синуса при изменении температуры и питающих напряжений, так как опорные напряжения в функциональном преобразователе и амплитуда треугольного напряжения, являющегося входным для функционального преобразователя, изменяются независимо друг от друга и, в худшем случае, в противоположных направлениях.

Сущность изобретения
Цель настоящего изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей функционального генератора.

Поставленная цель достигается за счет усовершенствования схемы функционального преобразователя и введения дополнительных связей между функциональным преобразователем и генератором треугольного напряжения. В результате этого опорные напряжения функционального преобразователя оказываются связанными с амплитудой треугольного напряжения пропорциональной зависимостью, повышается стабильность координат точек излома аппроксимирующей кусочно-линейной функции синуса и появляется дополнительный выход разности линейной и синусоидальной функций.

Для достижения указанной цели в функциональном генераторе, содержащем генератор треугольного напряжения, первый выход которого подключен к выходному зажиму релейной функции, а второй выход - к выходному зажиму линейной функции и к входу функционального преобразователя, первый выход которого соединен с выходным зажимом синусоидальной функции, а опорный вход вместе с первым опорным входом генератора треугольного напряжения присоединен к входному зажиму опорного напряжения, функциональный преобразователь снабжен вторым выходом, подключенным к выходному зажиму разности линейной и синусоидальной функций, а также опорным выходом, соединенным с вторым опорным входом генератора треугольного напряжения.

При этом функциональный преобразователь выполнен в виде инвертора на операционном усилителе, включенного между опорным входом и опорным выходом, с первым и вторым многозвенными резистивными делителями напряжения во входной цепи и цепи обратной связи операционного усилителя, промежуточные отводы обоих многозвенных резистивных делителей напряжения соединены с базами соответствующих транзисторов, причем объединенные коллекторы всех транзисторов подключены через общий нагрузочный резистор к общей шине и служат вторым выходом функционального генератора, первый выход которого подключен к его же входу через входной резистор и к эмиттерам всех транзисторов через соответствующие резисторы.

Генератор треугольного напряжения может быть выполнен по обычной схеме, включающей интегратор в виде блока накачки заряда из двух управляемых источников противоположно ориентированных токов, нагруженного на соединенный с общей шиной конденсатор, а также на первый и второй компараторы, выходами подключенные к входам триггера, и буферный повторитель напряжения. При этом оставшиеся входы первого и второго компараторов соединены с соответствующими первым и вторым опорными входами генератора треугольного напряжения. Выход буферного повторителя является первым выходом генератора треугольного напряжения, выход триггера, являющийся вторым выходом генератора треугольного напряжения, присоединен к входу блока накачки заряда.

На чертеже показана электрическая схема функционального генератора согласно настоящему изобретению.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Представленная на чертеже схема функционального генератора состоит из генератора 1 треугольного напряжения, первый выход 2 которого подключен к выходному зажиму 3 релейной функции, а второй выход 4 - к выходному зажиму 5 линейной функции и к входу 6 функционального преобразователя 7, первый выход 8 которого соединен с выходным зажимом 9 синусоидальной функции, а опорный вход 10 вместе с первым опорным входом 11 генератора 1 треугольного напряжения присоединен к входному зажиму 12 опорного напряжения. Функциональный преобразователь 7 снабжен вторым выходом 13, подключенным к выходному зажиму 14 разности линейной и синусоидальной функций, а также опорным выходом 15, соединенным с вторым опорным входом 16 генератора 1 треугольного напряжения.

Функциональный преобразователь 7 выполнен в виде инвертора на операционном усилителе 17, включенного между опорным входом 10 и опорным выходом 15, с первым 18 и вторым 19 многозвенными резистивными делителями напряжения во входной цепи и цепи обратной связи операционного усилителя 17. Промежуточные отводы обоих многозвенных резистивных делителей напряжения 18 и 19 соединены с базами соответствующих транзисторов 20, 21, 22 одного типа проводимости и транзисторов 23, 24, 25 другого типа проводимости. Объединенные коллекторы всех транзисторов 20... 25 подключены через общий нагрузочный резистор 26 к общей шине и служат вторым выходом 15 функционального генератора 7, первый выход 8 которого подключен к его же входу 6 через входной резистор 27 и к эмиттерам всех транзисторов 20...25 через соответствующие резисторы 28...33.

В данном конкретном варианте осуществления генератор 1 треугольного напряжения выполнен по известной схеме, включающей интегратор в виде блока 34 накачки заряда из двух управляемых источников 35, 36 противоположно ориентированных токов, нагруженного на соединенный с общей шиной конденсатор 37, а также на первый 38 и второй 39 компараторы, выходами подключенные к входам триггера 40, и буферный повторитель 41 напряжения. При этом оставшиеся входы первого 38 и второго 39 компараторов соединены с соответствующими первым 11 и вторым 16 опорными входами генератора 1 треугольного напряжения. Выход буферного повторителя 41 служит вторым выходом 4 генератора 1 треугольного напряжения, выход триггера 40, являющийся первым выходом 2 генератора 1 треугольного напряжения, присоединен к входу блока 34 накачки заряда.

Функциональный генератор работает следующим образом. Опорное напряжение поступает с внешнего источника напряжения одновременно на опорный вход 10 функционального преобразователя 7 и первый опорный вход 11 генератора 1 треугольного напряжения. Инвертор на операционном усилителе 17 с равными входным сопротивлением и сопротивлением обратной связи соответственно первого 18 и второго 19 многозвенных резистивных делителей напряжения обеспечивает на опорном выходе 15 функционального преобразователя 7 и, следовательно, на втором опорном входе генератора 1 треугольного напряжения постоянное напряжение, равное по абсолютной величине опорному напряжению на зажиме 12 опорного напряжения устройства. Равные по абсолютной величине напряжения на опорных входах генератора 1 треугольного напряжения поступают на входы компараторов соответственно 38 и 39 и определяют экстремумы генерируемого треугольного напряжения. В зависимости от текущего состояния триггера 40, который включает блок 34 накачки заряда либо на заряд, либо на разряд конденсатора 37, формируется либо нарастающий, либо спадающий участки симметричного треугольного напряжения на выходном зажиме 5 линейной функции. Одновременно формируются прямоугольные импульсы симметричной формы на выходном зажиме 3 релейной функции. Амплитуда треугольного напряжения равна опорному напряжению на входном зажиме 12 опорного напряжения, а его частота определяется значениями выходных, равных по абсолютному значению, но противоположно ориентированных выходных токов блока 34 накачки заряда. Изменение частоты достигается известными средствами при сопряженном регулировании значений вытекающего и втекающего токов в управляемых источниках 35 и 36 токов.

Треугольное напряжение с выхода 4 генератора 1 треугольного напряжения поступает на вход 6 функционального преобразователя 7, представляющего собой аналог кусочно-линейного диодного аппроксиматора, в котором диоды заменены переходами база-эмиттер транзисторов 20. ..25. Указанная замена позволяет устранить влияние напряжения входа 6 на промежуточные напряжения первого 18 и второго 19 многозвенных резистивных делителей напряжения, что способствует повышению точности преобразования. При малом уровне напряжения на входе 6 транзисторы 20...25 закрыты и крутизна изменения напряжения на первом выходе 8 равна крутизне изменения входного напряжения. По мере увеличения уровня напряжения на входе 6 начинают открываться поочередно либо транзисторы 22, 21, 20 при отрицательной полуволне синусоиды, либо транзисторы 23, 24, 25 при положительной полуволне синусоиды. Подключаемые резисторы в эмиттерных цепях указанных транзисторов образуют вместе с входным резистором 27 делитель напряжения с переменным коэффициентом деления, на котором и формируется синусоидальное напряжение. Сопротивления резисторов 27...33 выбираются по известным формулам, приведенным, например, в [4]. Некоторые резисторы могут при расчете оказаться с нулевыми сопротивлениями и, следовательно, отсутствовать в схеме.

Ток, протекающий в объединенной коллекторной цепи всех транзисторов, образует на резисторе 26 напряжение, пропорциональное разности линейной и синусоидальной функций.

Благодаря одновременному соединению опорного входа 10 функционального преобразователя 7 и первого опорного входа 11 генератора 1 треугольного напряжения с одним и тем же зажимом 12 опорного напряжения, а также подключению второго опорного входа 16 генератора 1 треугольного напряжения к опорному выходу 15 функционального преобразователя 7 точки излома кусочно-линейной передаточной характеристики функционального преобразователя 7 оказываются связанными пропорциональной зависимостью с амплитудой треугольного напряжения на втором выходе 4 генератора 1 треугольного напряжения. При изменениях опорного напряжения на зажиме 12 в результате ухода температуры среды или питающих напряжений и соответственно изменениях амплитуды треугольного напряжения сопряженно изменяются координаты точек излома передаточной характеристики функционального преобразователя 7, что повышает точность генерируемой синусоидальной функции. Наличие дополнительного выхода 14 разности линейной и синусоидальной функций расширяет функциональные возможности устройства.

Литература
1. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. - М.: Мир, 1990, с.214, рис.9.18.

2. Аналоговые и гибридные вычислительные машины: Учеб. пособие по спец. ЭВМ. / Анисимов А.В, Артамонов А.Б., Лебедев А.Н. и др. Под ред. А.Н. Лебедева и В.Б. Смолова. - М.: Высш. шк., 1984, с.161, рис.5.26,
3. Прагер И.Л. Электронные аналоговые вычислительные машины: Учебник для приборостроительных техникумов, - М.: Машиностроение, 1985, с.212, рис. 103.

4. Титце У. , Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. - М.: Мир, 1982, с.307, рис.18.25, с.152, рис.11.26 (прототип).

Изобретение относится к технике генерирования электрических сигналов. Технический результат заключается в повышении точности и расширении функциональных возможностей. Функциональный генератор (ФГ) синхронно вырабатывает на своих выходах релейную, линейную и синусоидальную функции. ФГ содержит последовательно включенные генератор треугольного напряжения и безынерционный функциональный преобразователь (ФП), воспроизводящий кусочно-линейную функцию синуса. Основу ФП составляет сложный инвертор на операционном усилителе с зеркально симметричными цепями на входе и в обратной связи в виде многозвенных резистивных делителей напряжения, к отводам которых подключены базы транзисторов (Т). Эмиттерные цепи Т через резистивную матрицу соединены с основным входом ФП для образования функции синуса, а коллекторные цепи объединены для образования разности линейной и синусоидальной функций. 1 ил.

Функциональный генератор, содержащий генератор треугольного напряжения, первый выход которого подключен к выходному зажиму релейной функции, а второй выход - к выходному зажиму линейной функции и к входу функционального преобразователя, первый выход которого соединен с выходным зажимом синусоидальной функции, а опорный вход вместе с первым опорным входом генератора треугольного напряжения присоединен к входному зажиму опорного напряжения, отличающийся тем, что функциональный преобразователь снабжен вторым выходом, подключенным к выходному зажиму разности линейной и синусоидальной функций, а также опорным выходом, соединенным с вторым опорным входом генератора треугольного напряжения, при этом функциональный преобразователь выполнен в виде инвертора на операционном усилителе, включенного между опорным входом и опорным выходом, с первым и вторым многозвенными резистивными делителями напряжения во входной цепи и цепи обратной связи операционного усилителя, промежуточные отводы обоих многозвенных резистивных делителей напряжения соединены с базами соответствующих транзисторов, причем объединенные коллекторы всех транзисторов подключены через общий нагрузочный резистор к общей шине и служат вторым выходом функционального генератора, первый выход которого подключен к его же входу через входной резистор и к эмиттерам всех транзисторов через соответствующие резисторы.