СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ РЕГЛАМЕНТИРУЕМЫХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2013 года по МПК H03B11/00 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и, в частности, к технике генерирования колебаний специальной формы и может быть использовано в радиоизмерительной технике и радиосвязи. Цуги (пачки колебаний) нашли широкое применение в радиотехнике. Цуги затухающих гармонических колебаний применяются, в частности, для настройки радиолокационной аппаратуры, в форме так называемого "звенящего контура".

Известен новый тип гармонических колебаний - регламентируемые колебания (РК), которые генерируются с помощью узлов аналоговой вычислительной техники (интеграторы, тригонометрические функциональные преобразователи), особенностью которых является строго регламентируемый характер изменения мгновенной фазы этих колебаний во времени [2]. Мгновенная фаза РК либо только убывает, либо только возрастает, а ее временная крутизна (частота) может управляться в широких пределах отрицательных и положительных значений, в том числе и быть равной нулю [3].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ генерирования колебаний [2]. Способ выполняют следующим образом.

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

2. В качестве диапазона входных напряжений выбирают пилообразноубывающее напряжение с резким скачком во время обратного хода.

3. Управление знаком крутизны фазы генерируемых колебаний осуществляют инвертированием пилообразного напряжения.

Технической задачей, решаемой изобретением, является генерирование РК без применения узлов вычислительной техники с использованием возможностей классического LC контура, адекватной математической моделью которого является уравнение гармонического осциллятора [1].

где Х - напряжение на конденсаторе C (В), 2h=r/L - коэффициент затухания контура (1/сек), r - сопротивление катушки индуктивности (Ом), $$f_{\text{}\text{}o}^2$$ - квадрат частоты собственных колебаний в контуре (1/сек²). Для решения поставленной задачи воспользуемся его общим решением (см. [1]).

$$X=Xo{e}^{-ht}\left(A{e}^{jft}+B{e}^{-jft}\right),\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(2\right)$$

Оно состоит из двух сомножителей: экспонентно затухающего и незатухающего осциллирующего. В осциллирующем сомножителе, являющемся суммой двух колебательных незатухающих с течением времени t процессов с постоянными амплитудами А и В в вольтах, определяемых конкретным начальными условиями при t=0, т.е. Х(0)=Хо, в сочетании с признаком колебательности, т.е. с мнимой единицей $$\sqrt{-1}$$ имеет место математически четкая регламентация осциллирующих слагаемых по знаку частоты f этих колебаний, которая незначительно отличается от fo, т.к. h<<fo (см. [1]). В первом слагаемом мгновенная фаза ft со временем возрастает, т.е. частота положительная, а во втором - мгновенная фаза -ft с течением времени убывает, т.е. частота отрицательная. В связи с этим общепринятый переход к тригонометрическим функциям для решения поставленной задачи нецелесообразен, т.к. при этом теряется информация о знаке частоты, а для ее решения из (2) при t=0 получим два алгебраических уравнения

откуда найдем условия по выбору констант А и В через Хо и

Таким образом, для генерации РК только с положительной частотой (РК-плюс) следует обеспечить выбор константы В=0 за счет выполнения согласно (5) особой связи между начальными условиями

Тогда из (4) следует, что А=Хо. Аналогично для РК-минус следует обеспечить выбор константы А=0 за счет выполнения согласно (4) другой особой связи между начальными условиями

Тогда из (5) следует, что В=Хо.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Поскольку с прототипом общим совпадающим является прием по управлению знаком частоты генерируемых РК, то этот прием поставлен на первую позицию.

1. Управляют знаком частоты РК путем инвертирования знака 1-го источника напряжения Хо в режимах РК+ и РК-.

Готовятся особые начальные условия(ОНУ) путем следующих приемов.

2. Выбирают емкость конденсатора контура С* в виде последовательно включенных конденсаторов С1=С и С2=2С, где С - емкость конденсатора контура с одним конденсатором.

3. Выбирают 2-й источник регулируемым Х*, и 3-й источник - Хо, где Хо - 1-й источник.

4. Пропускают в индуктивности L через резистор Rт постоянные токи

Io1=-Xo/(Rт+r+R+) в режиме РК+ и Io2=Xo/(Rт+r+R-) в режиме РК-, где R+ и R- переменные резисторы для реализации особых связей (6), (7).

5. Эквивалентно заменяют начальное условие по формуле скачком тока в L в режиме РК+ I+=Xo/(Rт+r+R+), а в режиме РК- скачком I-=-Xo/(Rт+r+R-).

6. Реализуют (6) резистором R+ по формуле $$R+=\left(1/\left(-h+jf\right)C*)\right)-Rт-r.\begin{array}{cc}& \end{array}\left(8\right)$$

7. Реализуют (7) резистором R- по формуле $$R-=\left(1/\left(h+jf\right)C*)\right)-Rт-r.\begin{array}{cc}& \end{array}\left(9\right)$$

В исходном положении (ИП) в обоих режимах через две пары нормально замкнутых контактов прерывателя вводят подготовленные ОНУ в контур следующим путем.

8. Пропускают токи Io1, Io2 через 1 пару контактов.

9. Заряжают конденсаторы С1 и С2 через резистор Rз и 2 пару от X*.

По команде «пуск» (П) синхронно в обоих режимах обеспечивают следующие операции.

10. Подают на конденсатор С* начальное условие Х(0)=Хо.

11. Подают начальное условие в виде толчков тока I+, I-.

12. Снимают с конденсатора С* одиночный цуг затухающих РК

$$РК+\begin{array}{cccc}& & & \end{array}X=Xo{e}^{-ht}{e}^{jft},\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(10\right)$$

$$РК-\begin{array}{cccc}& & & \end{array}X=Xo{e}^{-ht}{e}^{-jft}.\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(11\right)$$

13. Повторяют цуг переключениями $$ИП\rightleftarrows П$$ прерывателя.

Сопоставительный анализ заявленного способа с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается всеми признаками, кроме первого. Такое существенное отличие объясняется странной постановкой и успешным решением задачи поиска РК в обычной радиотехнике, в частности, в классическом колебательном контуре, поскольку последние патенты по РК получены на элементах и узлах аналоговой вычислительной техники, которые радикально отличаются от элементов колебательного контура. Поэтому в предлагаемом изобретении имеется не просто «новизна», а «необыкновенная новизна».

Особенностью предлагаемого способа является математическая постановка и решение задачи по поиску РК. Именно математика уравнения гармонического осциллятора открыла путь к решению задачи и она же предотвратила наступление тупиковой ситуации в ее решении, показав нецелесообразность перехода к тригонометрическим функциям.

Анализ многих технических решений на предмет выявления в них похожих свойств не выявил таких решений. Очень отдаленно в способе [4] применяется для создания импульсных толчков при автоподстройке амплитуды.

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

На фиг.1 дан пример реализации предлагаемого способа. Устройство состоит из колебательного контура 1, пускового сдвоенного тумблера 2 и одинарного тумблера 3 выбора режимов генерации РК+ и РК- (прием 1). Симметричные по знаку источники напряжения ±Е обеспечивают работу устройства. Потенциометры 4, 5 формируют из источника Е напряжения X* 2-го источника и Хо 1-го источника. С движка потенциометра 6 снимается напряжение 3-го источника -Хо (прием 3).

Важнейшей частью предлагаемого устройства являются цепи подготовки и введения ОНУ. Их специфика заключается в необходимости одновременности(синхронности) введения ОНУ в момент пуска, что требуют особые условия связи (6), (7) между начальными условиями $$\stackrel{.}{X}o$$ и Xo. Реализация этих условий затрудняется невозможностью в типовом контуре и заряжать конденсатор и пропускать ток в индуктивности без разрыва цепи между ними. Введение такого разрыва вносит новые трудности (дребезг и сопротивление контактов и т.п.). Для преодоления этих трудностей вводится последовательная цепочка конденсаторов С1 и С2 в качестве конденсатора контура С*. При выборе С1=С, а С2=2С, где С - емкость эквивалентного конденсатора контура с одним конденсатором, на конденсаторе

С*=(2/3)С в момент пуска будет начальное напряжение Хо, т.к. по команде «пуск» конденсаторы С1, С2 переключаются из параллельных при зарядке напряжением

Х*=(2/9)Хо в последовательные (прием 2).

Подготовка ОНУ по : в индуктивности L пропускают постоянные токи

$$Io1=-Xo/\left(Rт+r+R\text{}+\right),Io2=Xo/\left(Rт+r+R\text{}-\right),\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(12\right)$$

где R+, R- - переменные резисторы (прием 4), из которых при пуске формируются подобранные по величине толчки токов (прием 5)

$$I+=Xo/\left(Rт+r+R\text{}+\right),I-=-Xo/\left(Rт+r+R\text{}-\right).\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left(13\right)$$

Реализуют выполнение условия (6) подбором резистора R+ (прием 6), а условия (7) - подбором резистора R- (прием 7) (см. (8), (9)).

И последние подготовительные приемы ОНУ, гарантирующие реализацию (6), (7), выполняются в ИП путем подачи постоянных токов Io1, Io2 через 1-ю пару контактов (прием 8) и зарядку конденсаторов через резистор Rз и 2-ю пару контактов (прием 9). Таким образом, приемы 2-9 являются подготовительными, необходимыми для решения поставленной задачи. Решение задачи завершается прерыванием подачи ОНУ (приемы 10, 11) по команде П (тумблер 2) и снятием генерируемого цуга затухающего РК (прием 12). Повторение цугов осуществляют переключениями $$ИП\rightleftarrows П$$ прерывателя (прием 13).

Таким образом, техническая реализация предлагаемого способа проста, т.к. не требует активных элементов типа транзисторов. В этом у него преимущество по сравнению с [2, 3] и поэтому есть перспектива его применения на СВЧ до частот в районе 1 ГГц.

Список использованных источников

1. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний / под ред. Н.А.Железцова, М.: Физматгиз, 1958 г.

2. Патент РФ №2131144. Способ генерирования колебаний / Авт. изобр. Прокофьев E.B., G06G 7/26, Н06В 1/00, опубл. БИ №15, 1999 г.

3. Патент РФ №2294053. Генератор пилообразного напряжения // Авт. изобр. Прокофьев Е.В., Тюрин А.В., Колесников С.Н., Осенчугов А.Н., H03K 4/50, опубл. БИ №5, 2007 г.

4. АС СССР №959049. Способ формирования стабилизированного по амплитуде колебания в замкнутой колебательной системе / Авт. изобр. Алексеев А.С., Прокофьев Е.В. G05F 1/00, G06F 7/26, опубл. БИ №34, 1982 г.

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат - генерирование регламентируемых колебаний без узлов вычислительной техники. Способ генерирования регламентируемых колебаний основан на управлении знаком генерируемой частоты путем инвертирования управляющего входного напряжения Xo и на установлении в колебательном LC контуре особых начальных условий (ОНУ) между начальным напряжением Xo на конденсаторе С*, который выполнен в виде двух последовательно соединенных конденсаторов, и начальными токами в индуктивности L либо Io1 в режиме 1, либо Io2 в режиме 2. Прерывая подачу ОНУ в контур, обеспечивают генерацию одиночных затухающих цугов регламентируемых колебаний. 1 ил.

Способ генерирования регламентируемых колебаний, основанный на управлении знаком частоты генерируемых колебаний инвертированием знака напряжения Хо первого входного источника путем переключения режимов 1 и 2, отличающийся тем, что выбирают емкость конденсатора С* в колебательном LC контуре последовательно соединенными конденсаторами С1=С и С2=2С, где С - емкость конденсатора эквивалентного контура с одним конденсатором, выбирают регулируемый источник напряжения X* в качестве второго входного источника, в исходном положении (ИП) вводят особые начальные условия (ОНУ) путем установления напряжения X* в узле конденсаторов C1, C2 через резистор R₃ и пропускания в индуктивности L через резистор Rт начальных токов положительного Iо1 и отрицательного Iо2, величину которых подбирают резисторами R+ в режиме 1 и R- в режиме 2 согласно особым связям между начальными условиями Х(0)=Хо и по команде «пуск» (П) прерывают подачу ОНУ в контур, снимают с конденсатора С* одиночный цуг затухающих регламентируемых колебаний (РК),
$$X=Xo{e}^{-ht}{e}^{jft}$$ в режиме 1 либо
$$X=Xo{e}^{-ht}{e}^{-jft}$$ в режиме 2,
повторяют цуг путем переключений $$ИП\rightleftarrows П$$ прерывателя, где h и f - параметры контура, а $$j=\sqrt{-1}$$ - мнимая единица.