МНОГОЧАСТОТНЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2014 года по МПК H03B21/02 

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано для формирования сетки частот в аппаратуре связи, измерительной и вычислительной технике, а также для формирования квадратурных гармонических сигналов нескольких частот и сигналов различной формы одинаковой частоты.

Известно устройство [1], содержащее опорный генератор, блок управления, два регистра памяти, два многочастотных генератора, два ключа, нагрузку, селектор, два блока выделения фронта импульсов, счетный триггер и две линии задержки. На единственном выходе поочередно формируются сигналы различной частоты, вырабатываемые первым и вторым многочастотными генераторами. Устройство не является многофункциональным, поскольку на его выходе формируются сигналы только одной формы.

Известно устройство [2], содержащее последовательно соединенные эталонный генератор, блок формирования высокой частоты, два умножителя частоты, а также n-1 блоков ФАПЧ, каждый из которых состоит из соединенных в кольцо управляемого генератора, смесителя, фазового детектора и фильтра нижних частот, при этом выход блока формирования высокой частоты и выходы управляемых генераторов являются выходами устройства. Каждой гармонике частотной сетки соответствует отдельный блок ФАПЧ, что усложняет устройство, в котором присутствует сложный алгоритм взаимодействия функциональных устройств, усложняющий методику наладки и настройки и требующий высокой квалификации настройщика [3]. Устройство формирует одновременно на своих выходах n частот, но не формирует сигналы различной формы, то есть не является многофункциональным.

Известно устройство [4], содержащее задающий генератор, триггер Шмитта, интегратор и сумматор, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно задающего генератора и триггера Шмитта, вход которого подключен к выходу интегратора, включенного между выходом сумматора и выходом функционального генератора. Устройство формирует сигналы различной формы, кроме синусоидальной, и только одной частоты.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип многочастотный функциональный генератор [5], содержащий первый и второй вычислители модулей, выполненные из двухполупериодных выпрямителей, суммирующий блок, выполненный из первого вычитателя и сумматора, синтезатор частоты, выполненный из первого и второго перемножителей, квадратора и второго вычитателя, а также фазовый модулятор, выполненный из формирователя управляющих импульсов (амплитудный компаратор) и коммутатора, при этом первый вход многочастотного функционального генератора соединен с входом первого вычислителя модуля и первым входом синтезатора частоты, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами фазового модулятора, к выходу которого подключен третий вход суммирующего блока, выход которого соединен с выходом многочастотного функционального генератора, второй вход которого соединен с вторым входом синтезатора частоты и входом второго вычислителя модуля, выход которого соединен с вторым входом суммирующего блока, первый вход которого подключен к выходу первого вычислителя модуля.

В устройстве формируются два гармонических синусоидальных сигнала, частота одного из них - в два раза, а частота второго - в четыре раза выше частоты входных квадратурных сигналов, а также «квазилинейный» сигнал треугольной формы с относительно невысокой степенью линейности. Кроме того в устройстве нет формирователя прямоугольных импульсов или биполярных импульсов прямоугольной формы, необходимых атрибутов полноценного функционального генератора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей и улучшение метрологических характеристик формируемых сигналов.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в многочастотный функциональный генератор, содержащий первый и второй вычислители модуля, суммирующий блок, синтезатор частоты и фазовый модулятор, выполненный из формирователя управляющих импульсов и коммутатора, выход которого соединен с выходом фазового модулятора, второй вход которого соединен с вторым входом коммутатора, первый вход которого подключен к выходу формирователя управляющих импульсов, вход которого соединен с первым входом фазового модулятора, при этом к выходу фазового модулятора подключен третий вход суммирующего блока, выход и первый вход которого соединены соответственно с первым выходом многочастотного функционального генератора и с выходом первого вычислителя модуля, вход которого соединен с первым входом синтезатора частоты, второй вход которого соединен с входом второго вычислителя модуля, причем третий выход многочастотного функционального генератора соединен с первым входом фазового модулятора и с первым выходом синтезатора частоты, второй вход которого соединен с четвертым выходом многочастотного функционального генератора, введены источник квадратурных сигналов, инвертор, сумматор и формирователь биполярных прямоугольных импульсов, включенный между выходом суммирующего блока и вторым выходом многочастотного функционального генератора, пятый, шестой и седьмой выходы которого подключены соответственно к третьему, четвертому и пятому выходам синтезатора частоты, первый и второй входы которого соединены с соответствующими выходами источника квадратурных сигналов, управляющий вход которого соединен с управляющей шиной многочастотного функционального генератора, восьмой и девятый выходы которого подключены соответственно к первому и второму выходам источника квадратурных сигналов, при этом инвертор включен между выходом второго вычислителя модуля и вторым входом суммирующего блока, а второй и третий выходы синтезатора частоты соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, к выходу которого подключен второй вход фазового модулятора.

При этом в фазовом модуляторе формирователь управляющих импульсов может быть выполнен из усилителя-ограничителя, а коммутатор - из аналогового перемножителя.

Синтезатор частоты может быть выполнен из первого, второго и третьего усилителей, первого, второго и третьего перемножителей, первого, второго, третьего и четвертого квадраторов, первого и второго вычитателей, при этом первый усилитель включен между первым входом синтезатора частоты и первым входом первого умножителя, второй усилитель включен между выходом первого умножителя и первым входом второго умножителя, между выходом которого и первым входом третьего умножителя включен третий усилитель, между первым входом синтезатора частоты и первым входом первого вычитателя включен первый квадратор, второй квадратор включен между вторым входом синтезатора частоты и вторым входом первого вычитателя, между выходом которого и вторым входом второго вычитателя включен четвертый квадратор, третий квадратор включен между выходом первого умножителя и первым входом второго вычитателя, выход которого соединен с вторым входом третьего перемножителя, вход второго перемножителя подключен к выходу первого вычитателя, а второй вход первого перемножителя соединен с вторым входом синтезатора частоты, первый, второй и третий выходы которого соединены с выходами соответственно первого, второго и третьего перемножителей, четвертый и пятый выходы синтезатора частоты подключены к выходам соответственно первого и второго вычитателей.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленному изобретению. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Введение в предлагаемый многочастотный функциональный генератор источника квадратурных сигналов, инвертора, сумматора и формирователя биполярных прямоугольных импульсов, выполнение синтезатора частоты из первого, второго и третьего усилителей, первого, второго и третьего перемножителей, первого, второго, третьего и четвертого квадраторов, первого и второго вычитателей, выполнение фазового модулятора из формирователя управляющих импульсов и коммутатора, а также организация новых связей между функциональными элементами позволило расширить функциональные возможности устройства, а также улучшить метрологические характеристики формируемых сигналов.

Изобретение поясняется структурной схемой многочастотного функционального генератора (фиг.1), структурной схемой синтезатора частоты (фиг.2) и графиками (фиг.3 - фиг.6), поясняющими принцип работы многочастотного функционального генератора.

Многочастотный функциональный генератор содержит первый 1 и второй 2 вычислители модуля, суммирующий блок 3, синтезатор частоты 4, фазовый модулятор 5, выполненный из формирователя управляющих импульсов 6 и коммутатора 7, источник квадратурных сигналов 8, инвертор 9, сумматор 10 и формирователь биполярных прямоугольных импульсов 11, включенный между выходом суммирующего блока 3 и вторым выходом многочастотного функционального генератора, управляющая шина 12 которого соединена с управляющим входом источника квадратурных сигналов 8, первый выход которого соединен с входом первого вычислителя модуля 1, первым входом синтезатора частоты 4 и восьмым выходом многочастотного функционального генератора, второй выход источника квадратурных сигналов 8 соединен с входом второго вычислителя модуля 2, вторым входом синтезатора частоты 4 и девятым выходом многочастотного функционального генератора, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы которого соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым выходами синтезатора частоты 4, к первому выходу которого подключен первый вход фазового модулятора 5, второй вход которого соединен с выходом сумматора 10, первый и второй входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами синтезатора частоты 4, при этом к выходу первого вычислителя модуля 1 подключен первый вход суммирующего блока 3, третий вход и выход которого соединены соответственно с выходом фазового модулятора 5 и с первым выходом многочастотного функционального генератора, причем между выходом второго вычислителя модуля 2 и вторым входом суммирующего блока 3 включен инвертор 9, формирователь управляющих импульсов 6 включен между первым входом фазового модулятора 5 и первым входом коммутатора 7, выход которого соединен с выходом фазового модулятора 5, второй вход которого соединен с вторым входом коммутатора 7.

Формирователь управляющих импульсов 6 в фазовом модуляторе 5 выполнен из усилителя-ограничителя, а коммутатор 7 - из аналогового перемножителя.

Синтезатор частоты 4 выполнен из первого 13, второго 14 и третьего 15 усилителей, первого 16, второго 17 и третьего 18 перемножителей, первого 19, второго 20, третьего 21 и четвертого 22 квадраторов, первого 23 и второго 24 вычитателей, при этом первый усилитель 13 включен между первым входом синтезатора 4 и первым входом первого умножителя 16, второй усилитель 14 включен между выходом первого умножителя 16 и первым входом второго умножителя 17, между выходом которого и первым входом третьего умножителя 18 включен третий усилитель 15, между первым входом синтезатора 4 и первым входом первого вычитателя 23 включен первый квадратор 19, второй квадратор 20 включен между вторым входом синтезатора частоты 4 и вторым входом первого вычитателя 23, между выходом которого и вторым входом второго вычитателя 24 включен четвертый квадратор 22, третий квадратор 21 включен между выходом первого умножителя 16 и первым входом второго вычитателя 24, выход которого соединен с вторым входом третьего перемножителя 18, вход второго перемножителя 17 подключен к выходу первого вычитателя 23, а второй вход первого перемножителя 16 соединен с вторым входом синтезатора частоты 4, первый, второй и третий выходы которого соединены с выходами соответственно первого 16, второго 17 и третьего 18 перемножителей, четвертый и пятый выходы синтезатора частоты 4 подключены к выходам соответственно первого 23 и второго 24 вычитателей.

Многочастотный функциональный генератор работает следующим образом.

При подаче управляющего напряжения E_y на вход источника квадратурных сигналов 8 на его выходах после окончания переходного процесса устанавливаются гармонические сигналы, сдвинутые друг относительно друга на 90 эл. град.

где А - амплитуда, а ω₀ - круговая частота сигналов V₁(t) и V₂(t), связанная с циклической частотой f₀ известным соотношением ω₀=2πf₀.

Вычислители модулей 1 и 2 обеспечивают (фиг.3) получение модулей сигналов V₁(t) и V₂(t)

На второй вход сумматора 3 поступает сигнал M₁(t), а на его третий вход - инвертированный сигнал M₃(t)=-M₂(t).

В результате суммирования сигналов M₁(t) и М₃(t) формируется (фиг.3) сигнал

S_sint(t)=k₁M₁(t)-k₂M₃(t)=k₁mod[V₁(t)]-k₂mod[V₂(t)], (3)

где k₁ и k₂ - коэффициенты передачи суммирующего блока 3 по первому и второму входам соответственно.

При k₁=k₂=1 амплитуда сигнала S_sint(f) будет равна амплитудному значению A сигналов V₁(t) и V₂(t).

На фиг.3 графики построены для нормированного значения А^*=1. Значение текущего угла х=ω₀t выражено в радианах. Период Т₀ основной гармоники определяется частотой ω₀

Т₀=1/f₀=2π/ω₀,

следовательно, частота основной гармоники ω₁ синтезированного сигнала треугольной формы S_sint(t) равна удвоенному значению частоты ω₀ квадратурных сигналов V₁(t) и V₂(t)

ω₁=2ω₀ (или f₁=2f₀).

На участках «прямого хода» (от нуля до π/2) и «обратного хода» (от π/2 до π) сигнал S_sint(t) имеет S-образные характеристики, то есть является «квазилинейным».

Для оценки нелинейности синтезированного сигнала S_sint(t) вычислим величину ошибки e₀(t), то есть отклонение синтезированного сигнала S_sint(t) от эталонного сигнала S_et(t)

e₀(t)=S_et(t)-S_sint(t).

График зависимости e₀(t) от текущего значения угла x приведен на фиг.3. Максимальное отклонение e₀(t) по модулю превышает 4% (e_1max=42,5 мВ при нормированном значении амплитуды А=1000 мВ).

Если сформировать корректирующий сигнал S_k(t), в точности совпадающий по форме и величине с сигналом ошибки e₀(t), а затем сложить его с сигналом S_sint(t) в противофазе, то результирующий сигнал N₁(t) будет в точности равен эталонному сигналу S_et(t).

Задачу формирования корректирующего сигнала S_k(t) выполняют синтезатор частоты 4 и фазовый модулятор 5. На первом выходе синтезатора частоты 4 формируется сигнал удвоенной частоты S₁(t)=Asin(2ω₀t)=Asin(ω₁t), на втором выходе -сигнал S₂(t)=Asin(4ω₀t)=Asin(2ω₁t), частота которого в четыре раза превышает частоту ω₀, а на третьем - сигнал S₃(t)=Asin(8ω₀t)=Asin(4ω₁t), частота которого в 8 раз выше частоты ω₀ (Фиг.4).

В результате суммирования сигналов S₂(t) и S₃(t) на выходе сумматора 10 формируется сигнал

где k₄ и k₅ - коэффициенты передачи сумматора 10 по первому и второму входам соответственно.

Коэффициент передачи k₄ выбирается таким образом, чтобы обеспечить равенство амплитудного значения сигнала k₄S₂(t) и максимального значения E_0max (фиг.3) сигнала ошибки e₀(t), то есть k₄A=E_0max, при этом коэффициент передачи k₅ должен быть примерно в семь раз меньше коэффициента k₄.

Формирователь управляющих импульсов 6 под действием сигнала S₁(t) вырабатывает (фиг.4) сигнал прямоугольной формы S_y(t), воздействующий на управляющий вход коммутатора 7, на выходе которого вырабатывается корректирующий сигнал S_k(t), поступающий на первый вход суммирующего блока 3.

Сигнал коррекции S_k(t) практически не отличается от сигнала ошибки e₀(t), поэтому на выходе суммирующего блока 3 формируется «квазилинейный» сигнал треугольной формы с незначительными отклонениями от эталонного сигнала S_et(t).

Количественную оценку остаточной погрешности линеаризации можно вычислить с помощью формулы e₂(t)=S_et(t)-N₁₂(t), где N₁₂(t) - «квазилинейный» сигнал треугольной формы, полученный в результате коррекции с помощью сигнала S₀₂(t)=k₄Asin(2ω₁t)+k₅Asin(4ω₁t).

В прототипе [5] величина остаточной ошибки e₁(t)=S_et(t)-N₁₁(t), где N₁₁(t) - «квазилинейный» сигнал треугольной формы, полученный в результате коррекции с помощью сигнала S₀₁(t)=k₄Asin(2ω₁t).

Результаты аналитических расчетов и математического моделирования по определению остаточной погрешности представлены на фиг.5, откуда следует, что при корректировке только по одной гармонике с частотой (2ω₁t) величина остаточной погрешности e₁(t) уменьшилась примерно в 7 раз и составила 0,62% от нормированного значения амплитуды А^*, а при корректировке по двум гармоникам с частотами (2ω₁t) и (4ω₁t) величина остаточной погрешности e₂(t) уменьшилась уже примерно в 24 раза и составила 0,18% от нормированного значения амплитуды А^*.

Синтезатор частоты 4 работает следующим образом. На выходе первого умножителя 16 формируется сигнал

где m₁ - коэффициент передачи первого усилителя 13.

При m₁=2 на первом выходе синтезатора частоты 4 формируется сигнал S₁(t)=sin(2ω₀t)=sin(ω₁t), а на третьем выходе (Out3) многочастотного функционального генератора (фиг.6, б) - сигнал N₃(t)=sin(2ω₀t)=sin(ω₁t).

На выходе первого вычитателя 23 формируется сигнал

При k₆=k₇=1 на четвертом выходе синтезатора частоты 4 формируется сигнал

который поступает (фиг.6, б) на шестой выход (Out6) многочастотного функционального генератора.

На выходе второго умножителя 17 формируется сигнал

где m₂ - коэффициент передачи второго усилителя 14.

При m₂=2 на втором выходе синтезатора частоты 4 формируется сигнал S₂(t)=sin(4ω₀t)=sin(2ω₁t), который поступает (фиг.6, г) на четвертый выход (Out4) многочастотного функционального генератора.

На выходе второго вычитателя 24 формируется сигнал

При k₈=k₉=1 на пятом выходе синтезатора частоты 4 формируется сигнал

который поступает (фиг.6, г) на седьмой выход (Out7) многочастотного функционального генератора.

На третьем выходе синтезатора частоты 4 формируется сигнал

где m₃ - коэффициент передачи третьего усилителя 18.

При m₃=2 на третьем выходе синтезатора частоты 4 формируется сигнал S₃(t)=sin(8ω₀t)=sin(4ω₁t), который поступает (фиг.6, д) на пятый выход (Out5) многочастотного функционального генератора.

На восьмой (Out8) и девятый (Out9) выходы многочастотного функционального генератора поступают (фиг.6, а) сигналы V₁(t) и V₂(t) соответственно с первого и второго выходов источника квадратурных сигналов 8.

Квазилинейный сигнал треугольной формы N₁(t) с выхода суммирующего блока 3 поступает на первый выход (Out1) многочастотного функционального генератора, а также на вход формирователя биполярных прямоугольных импульсов 11, с выхода которого сигнал N₂(t) поступает на второй выход (Out2) многочастотного функционального генератора.

Использование предлагаемого изобретения позволит расширить функциональные возможности устройства и улучшить метрологические характеристики формируемых сигналов.

Источники информации

1. Ас. СССР 964965, МПК³ H03B 21/02. Устройство формирования сетки частот / Рыжков А.В. и др. №2910583/18-09; заявл. 16.04.80; опубл. 07.10.82, бюл. №37. - 2 с.: 1 ил.

2. Ас. СССР 845262, МПК³ H03B 21/02. Многочастотный генератор / Рыжков А.В. и др. №2615100/18-09; заявл. 15.05.78; опубл. 07.07.81, бюл. №25. - 2 с.: 1 ил.

3. Пат. 2108655, Российская Федерация, МПК⁶ H03B 19/00. Цифровой многоканальный синтезатор сетки частот / Ефимов С.А.; заявитель и патентообладатель «Вычислительный центр СО РАН». №95101294/09; заявл. 30.01.95; опубл. 10.04.98, бюл. №*. - 9 с.: 2 ил.

4. Пат. 2221327, Российская Федерация, МПК⁷ H03K 3/02. Функциональный генератор / Ким К.К. и др.; заявитель и патентообладатель «Петербургский государственный университет путей сообщения». №2001121641/09; заявл. 01.08.01; опубл. 27.06.03, бюл. №*. - 7 с.: 5 ил.

5. Пат. 83669 Российская Федерация, МПК⁷ H03K 4/06 Аддитивный формирователь сигнала треугольной формы / Дубровин B.C., Зюзин A.M.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»). №200910332; заявл. 02.02.2009; опубл. 10.06.09, бюл. №16. - 8 с.: 5 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано для формирования сетки частот в аппаратуре связи, измерительной и вычислительной технике. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей путем формирования гармонических сигналов нескольких частот и сигналов различной формы одинаковой частоты и улучшение метрологических характеристик формируемых сигналов. Многочастотный функциональный генератор содержит первый и второй вычислители модуля, суммирующий блок, синтезатор частоты и фазовый модулятор, выполненный из формирователя управляющих импульсов и коммутатора, источник квадратурных сигналов, инвертор, сумматор и формирователь биполярных прямоугольных импульсов. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Многочастотный функциональный генератор, содержащий первый и второй вычислители модуля, суммирующий блок, синтезатор частоты и фазовый модулятор, выполненный из формирователя управляющих импульсов и коммутатора, выход которого соединен с выходом фазового модулятора, второй вход которого соединен с вторым входом коммутатора, первый вход которого подключен к выходу формирователя управляющих импульсов, вход которого соединен с первым входом фазового модулятора, при этом к выходу фазового модулятора подключен третий вход суммирующего блока, выход и первый вход которого соединены соответственно с первым выходом многочастотного функционального генератора и с выходом первого вычислителя модуля, вход которого соединен с первым входом синтезатора частот, второй вход которого соединен с входом второго вычислителя модуля, причем третий выход многочастотного функционального генератора соединен с первым входом фазового модулятора и с первым выходом синтезатора частоты, второй вход которого соединен с четвертым выходом многочастотного функционального генератора, отличающийся тем, что в него введены источник квадратурных сигналов, инвертор, сумматор и формирователь биполярных прямоугольных импульсов, включенный между выходом суммирующего блока и вторым выходом многочастотного функционального генератора, пятый, шестой и седьмой выходы которого подключены соответственно к третьему, четвертому и пятому выходам синтезатора частоты, первый и второй входы которого соединены с соответствующими выходами источника квадратурных сигналов, управляющий вход которого соединен с управляющей шиной многочастотного функционального генератора, восьмой и девятый выходы которого подключены соответственно к первому и второму выходам источника квадратурных сигналов, при этом инвертор включен между выходом второго вычислителя модуля и вторым входом суммирующего блока, а второй и третий выходы синтезатора частоты соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, к выходу которого подключен второй вход фазового модулятора.

2. Многочастотный функциональный генератор по п.1, отличающийся тем, что в фазовом модуляторе формирователь управляющих импульсов выполнен из усилителя-ограничителя, а коммутатор - из аналогового перемножителя.

3. Многочастотный функциональный генератор по п.1, отличающийся тем, что синтезатор частоты выполнен из первого, второго и третьего усилителей, первого, второго и третьего перемножителей, первого, второго, третьего и четвертого квадраторов, первого и второго вычитателей, при этом первый усилитель включен между первым входом синтезатора частоты и первым входом первого умножителя, второй усилитель включен между выходом первого умножителя и первым входом второго умножителя, между выходом которого и первым входом третьего умножителя включен третий усилитель, между первым входом синтезатора частоты и первым входом первого вычитателя включен первый квадратор, второй квадратор включен между вторым входом синтезатора частоты и вторым входом первого вычитателя, между выходом которого и вторым входом второго вычитателя включен четвертый квадратор, третий квадратор включен между выходом первого умножителя и первым входом второго вычитателя, выход которого соединен с вторым входом третьего перемножителя, второй вход второго перемножителя подключен к выходу первого вычитателя, а второй вход первого перемножителя соединен с вторым входом синтезатора частоты, первый, второй и третий выходы которого соединены с выходами соответственно первого, второго и третьего перемножителей, четвертый и пятый выходы синтезатора частоты подключены к выходам соответственно первого и второго вычитателей.