ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2015 года по МПК H03B27/00 G06G7/26 

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

Известно устройство [1], содержащее источник квадратурных сигналов, первый и второй вычислители модулей, первый и второй квадраторы, сумматор, перемножитель, усилитель и формирователь биполярных сигналов прямоугольной формы, выход которого соединен с третьим выходом функционального генератора, второй выход которого соединен с входом формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы и с выходом сумматора, первый, второй, третий и четвертый входы которого соединены с выходами, соответственно, первого вычислителя модуля, первого квадратора, второго вычислителя модуля и второго квадратора, при этом к первому выходу источника квадратурных сигналов подключены первый вход перемножителя, а также входы первого вычислителя модуля и первого квадратора, к второму выходу источника квадратурных сигналов подключены второй вход перемножителя, а также входы второго вычислителя модуля и второго квадратора, причем усилитель включен между выходом перемножителя и первым выходом функционального генератора.

В устройстве формируются сигналы синусоидальной, треугольной формы, а также биполярный сигнал прямоугольной формы. Формирование сигнала треугольной формы возможно только при фиксированном (стабильном) значении амплитуды источника квадратурных сигналов.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип функциональный генератор [2], содержащий схему сравнения, перемножитель, первый сумматор, первый и второй управляемые интеграторы, инвертор, релейный элемент, первый и второй квадраторы, второй сумматор и вычислитель квадратного корня, включенный между выходом второго сумматора и вторым входом схемы сравнения, к выходу которой подключен первый вход перемножителя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, к выходу которого подключен первый вход первого управляемого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго управляемого интегратора, входом инвертора, входом первого квадратора и первым выходом функционального генератора, второй выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выходом второго управляемого интегратора и входом второго квадратора, к выходу которого подключен второй вход второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора, при этом к выходу инвертора подключен вход релейного элемента, выход которого соединен с вторым входом перемножителя и третьим выходом функционального генератора, первая управляющая шина которого соединена с вторыми входами первого и второго управляемых интеграторов, а вторая управляющая шина функционального генератора соединена с первым входом схемы сравнения.

В устройстве формируются сигналы синусоидальной, треугольной формы, а также биполярный сигнал прямоугольной формы. К недостатку устройства следует отнести невозможность сохранения высокой линейности синтезированного сигнала треугольной формы при изменении (регулировке) амплитуды квадратурных сигналов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства и сохранение высокой линейности сигнала треугольной формы при изменении амплитуды квадратурных гармонических сигналов в широких пределах.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в функциональный генератор, содержащий схему сравнения, перемножитель, первый сумматор, первый и второй управляемые интеграторы, инвертор, релейный элемент, первый и второй квадраторы, второй сумматор и вычислитель квадратного корня, включенный между выходом второго сумматора и вторым входом схемы сравнения, к выходу которой подключен первый вход перемножителя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, к выходу которого подключен первый вход первого управляемого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго управляемого интегратора, входом инвертора, входом первого квадратора и первым выходом функционального генератора, второй выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выходом второго управляемого интегратора и входом второго квадратора, к выходу которого подключен второй вход второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора, при этом к выходу инвертора подключен вход релейного элемента, выход которого соединен с вторым входом перемножителя и третьим выходом функционального генератора, первая управляющая шина которого соединена с вторыми входами первого и второго управляемых интеграторов, а вторая управляющая шина функционального генератора соединена с первым входом схемы сравнения, дополнительно введен формирователь сигнала треугольной формы, первый и второй входы которого подключены к выходам, соответственно, первого и второго управляемых интеграторов, третий, четвертый выходы формирователя сигнала треугольной формы соединены с выходами, соответственно, второго и первого квадраторов, а к выходу вычислителя квадратного корня подключен пятый вход формирователя сигала треугольной формы, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с четвертым и пятым выходами функционального генератора.

При этом формирователь сигнала треугольной формы выполнен из первого и второго вычислителей модуля, первого и второго вычитателей, третьего сумматора и делителя, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора и вторым выходом формирователя сигнала треугольной формы, первый выход которого соединен с выходом третьего сумматора, первый вход которого подключен к выходу первого вычитателя, выход второго вычитателя соединен с первым входом делителя, первый вычислитель модуля включен между первым входом формирователя сигнала треугольной формы и первым входом первого вычитателя, при этом третий и четвертый входы формирователя сигнала треугольной формы соединены, соответственно, с первым и вторым входами второго вычитателя, а между вторым входом формирователя сигнала треугольной формы и вторым входом первого вычитателя включен второй вычислитель модуля.

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 функциональный генератор формирователя сигнала треугольной формы, выполненного из двух вычислителей модуля, двух вычитателей, сумматора и делителя, а также организация новых связей между функциональными элементами позволило расширить функциональные возможности устройства и сохранить высокую линейность сигнала треугольной формы при изменении амплитуды квадратурных гармонических сигналов в широких пределах.

Изобретение поясняется структурной схемой функционального генератора (фиг.1) и графиками (фиг.2 - фиг.4), поясняющими принцип работы функционального генератора.

Функциональный генератор содержит схему сравнения 1, перемножитель 2, первый сумматор 3, первый 4 и второй 5 управляемые интеграторы, инвертор 6, релейный элемент 7, первый 8 и второй 9 квадраторы, второй сумматор 10, вычислитель квадратного корня 11 и формирователь сигнала треугольной формы 14, выполненный из первого 15 и второго 16 вычислителей модуля, первого 17 и второго 18 вычитателей, третьего сумматора 19 и делителя 20, при этом вычислитель квадратного корня 11 включен между выходом второго сумматора 10 и вторым входом схемы сравнения 1, к выходу которой подключен первый вход перемножителя 2, выход которого соединен с первым входом первого сумматора 3, к выходу которого подключен первый вход первого управляемого интегратора 4, выход которого соединен с первым входом второго управляемого интегратора 5, входом инвертора 6, входом первого квадратора 8, первым входом формирователя сигнала треугольной формы 14 и первым выходом функционального генератора, второй выход которого соединен с вторым входом первого сумматора 3, выходом второго управляемого интегратора 5, вторым входом формирователя сигнала треугольной формы 14 и входом второго квадратора 9, к выходу которого подключен третий вход формирователя сигнала треугольной формы 14 и второй вход второго сумматора 10, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора 8 и четвертым входом формирователя сигнала треугольной формы 14, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с четвертым и пятым выходами функционального генератора, третий выход которого соединен с вторым входом перемножителя 2 и выходом релейного элемента 7, вход которого подключен к выходу инвертора 6, при этом вторые входы первого 4 и второго 5 управляемых интеграторов соединены с первой управляющей шиной 12 функционального генератора, вторая управляющая шина которого соединена с первым входом схемы сравнения 1, причем к выходу вычислителя квадратного корня 11 подключен пятый вход формирователя сигнала треугольной формы 14, первый и второй входы которого соединены с входами, соответственно, первого 15 и второго 16 вычислителей модулей, третий и четвертый входы формирователя сигнала треугольной формы 14 соединены, соответственно, с первым и вторым входами второго вычитателя 18, выход которого соединен с первым входом делителя 20, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора 19 и вторым выходом формирователя сигнала треугольной формы 14, к первому выходу которого подключен выход третьего сумматора 19, первый вход которого соединен с выходом первого вычитателя модуля 17, первый и второй входы которого подключены к выходам, соответственно, первого 15 и второго 16 вычислителей модулей.

Функциональный генератор работает следующим образом.

Последовательно соединенные и замкнутые в кольцо первый 4 и второй 5 управляемые интеграторы, а также первый сумматор 3 образуют колебательную систему (КС) с двумя выходами (фиг.1). Первый 8 и второй 9 квадраторы, второй сумматор 10 и вычислитель квадратного корня 11 образуют датчик напряжения (ДН). Колебательная система, датчик напряжения, релейный элемент 7 с инвертором 6, схема сравнения 1 и перемножитель 2 образуют двухконтурную систему автоматического регулирования (САР).

При подаче управляющих напряжений E_f и E₀ на соответствующие входы 12 и 13 САР на выходах первого 4 и второго 5 управляемых интеграторов, то есть на втором и третьем выходах функционального генератора, после окончания переходных процессов устанавливаются (фиг.2) гармонические колебания N₁(t) и N₂(f), сдвинутые друг относительно друга на 90 эл. градусов

$$N_1\left(t\right)=A\sin \left({\omega }_{0}t\right),{\text{ N}}_{\text{2}}\left(t\right)=A\cos \left({\omega }_{0}t\right),\text{ (1)}$$

где A - амплитуда, а ω₀ - круговая частота сигналов N₁(t) и N₂(t), связанная с циклической частотой f₀ известным соотношением ω₀=2πf₀.

Частота f₀ определяется величиной напряжения E_f, поданного на вход 12, а амплитудное значение A - величиной опорного напряжения E₀, поданного на второй вход 13 функционального генератора.

На выходе релейного элемента 7 из инвертированного сигнала N₁(t) формируется сигнал N₃(t), который подается на первый выход функционального генератора.

Датчик напряжения работает следующим образом.

При поступлении сигнала N₁(t) на вход первого квадратора 8 и сигнала N₂(t) на вход второго квадратора 9 на выходе второго сумматора 10 формируется сигнал

$$E_1=k_1{m}_1{A}^2{\sin }^2\left({\omega }_{0}t\right)+m_2{k}_2{A}^2{\cos }^2\left({\omega }_{0}t\right),\text{ (2)}$$

где k₁ и k₂ - коэффициенты передачи второго сумматора 10, соответственно, по первому и второму входу; m₁ и m₂ - коэффициенты передачи, соответственно, первого 8 и второго 9 квадраторов.

При k₁m₁=k₂m₂=1 выражение (2) упрощается

$$E_1=A^2\left[{\sin }^2\left({\omega }_{0}t\right)+{\cos }^2\left({\omega }_{0}t\right)\right]=A^2.\text{ (3)}$$

На выходе вычислителя квадратного корня 11, то есть на выходе ДН, формируется постоянный сигнал E₂, амплитуда которого равна амплитуде A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t), то есть E₃=A.

На выходе схемы сравнения 1 формируется сигнал рассогласования

$$U_e\left(t\right)=k_3{E}_0-k_4{E}_2=k_3{E}_0-k_{4}A,\text{ (4)}$$

где k₃ и k₄ - коэффициенты передачи схемы сравнения 1, соответственно, по первому и второму входу.

При k₃=k₄=1 сигнал рассогласования U_e(t) будет равен разности опорного сигнала E₀ и сигнала E₂ с датчика напряжения, то есть U_e(t)=E₀-A.

При возрастании (уменьшении) амплитуды A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t) произойдет увеличение (уменьшение) сигнала рассогласования U_e(t).

Наличие отрицательной обратной связи приведет к восстановлению прежнего значения амплитудных значений квадратурных сигналов, которые будут отличаться от эталонного (заданного) значения E₀ на величину ошибки регулирования. Наличие интегрирующих (астатических) звеньев в замкнутой САР сводит ошибку регулирования (сигнал рассогласования) практически к нулю.

Рассмотрим принцип формирования квазилинейного сигнала треугольной формы N₄(t).

На выходе первого вычислителя модуля 15 формируется сигнал $$S_1=\left|N_1\left(t\right)\right|$$ , который поступает на первый (неинвертирующий) вход первого вычитателя 17, а на выходе второго вычислителя модуля 16 - сигнал $$S_2=\left|N_2\left(t\right)\right|$$ , который поступает на второй (инвертирующий) вход первого вычитателя 17 (фиг.3).

В результате суммирования сигналов S₁ и S₂ на выходе первого вычитателя 17 формируется квазилинейный сигнал

$$M_1\left(t\right)=k_5\left|N_1\left(t\right)\right|-k_6\left|N_2\left(t\right)\right|=\left[k_5\left|A\sin \left({\omega }_{0}t\right)\right|-k_6\left|A\cos \left({\omega }_{0}t\right)\right|\right],\text{ (5)}$$

где k₅ и k₆ - коэффициенты передачи первого вычитателя 17 по первому и второму входам, соответственно.

При k₅=k₆=1 амплитуда сигнала M₁(t) будет равна амплитудному значению A сигналов N₁(t) и N₂(t).

На фиг.3 построены графики, иллюстрирующие принцип формирования синтезированного сигнала M₁(t), для нормированного значения амплитуды A^*=1. Значение текущего угла x=ω₀t выражено в радианах.

Период T₀ основной гармоники сигнала M₁(t) определяется частотой ω₀

T₀=1/f₀=2π/ω₀,

следовательно, частота основной гармоники ω₁ синтезированного сигнала треугольной формы M₁(t) равна удвоенному значению частоты ω₀ квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t)

ω₁=2ω₀ (или f₁=2f₀).

На участках «прямого хода» (от нуля до π/2) и «обратного хода» (от π/2 до π) сигнал M₁(t) имеет S-образные характеристики, то есть является «квазилинейным».

Линеаризация сигнала M₁(t) осуществляется следующим образом.

На выходе второго вычитателя 18 формируется корректирующий сигнал

$$M_2\left(t\right)=k_7{m}_2{A}^2{\cos }^2\left({\omega }_{0}t\right)-k_8{m}_1{A}^2{\sin }^2\left({\omega }_{0}t\right).\text{ (6)}$$

где k₇ и k₈ - коэффициенты передачи второго вычитателя 18, соответственно, по первому и второму входу.

При k₇m₂=k₈m₁=1 выражение (6) упрощается

$$M_2\left(t\right)=A^2\left[{\cos }^2\left({\omega }_{0}t\right)-{\sin }^2\left({\omega }_{0}t\right)\right]=A^2\cos \left(2{\omega }_{0}t\right)=A^2\cos \left({\omega }_{1}t\right),\text{ (7)}$$

где ω₁=2ω₀ - частота гармонического сигнала M₂(t), равная удвоенному значению частоты ω₀ квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t).

Из (7) следует, что между амплитудой сигнала M₂(t) и амплитудой A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t) существует нелинейная (квадратичная) зависимость. При этом на первый вход третьего сумматора 19 поступает синтезированный сигнал M₁(t), амплитуда которого в точности равна амплитудному значению A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t).

При подаче сигнала M₂(t) косинусоидальной формы непосредственно на второй вход третьего сумматора 19 на его выходе будет сформирован «виртуальный» сигнал «V(t)», то есть сигнал, полученный при отсутствии делителя 20

$$"V\left(t\right)"=k_9{M}_1\left(t\right)+k_{10}{M}_2\left(t\right).\text{ (8)}$$

При этом для нормированного значения амплитуды A^*=1 квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t) оптимальное значение коэффициента передачи сумматора 19 по первому входу принимается равным 1,25. Коэффициент передачи сумматора 19 по второму входу в этом случае выбирается из условия

$$K_{9}A*-k_{10}A{*}^2=1.\text{ (9)}$$

Для нормированного (стабильного) значения амплитуды A*=1 квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t) справедливо соотношение

$$k_{11}-k_{12}=1.\text{ (10)}$$

В том случае, если амплитуда A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t) будет изменяться (возрастать или уменьшаться), то выражение (10) не будет корректным и расчет коэффициентов k₉ и k₁₀ следует проводить по формуле (9).

В этом случае для заданного оптимального значения коэффициента передачи k₉ сумматора 19, оптимальное значение коэффициента передачи

$$k_{10}=\left(k_{9}A-1\right)/A^2.\text{ (11)}$$

Из (11) возникает необходимость в нелинейной коррекции коэффициента k₁₀ при изменении амплитуды A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t), что значительно усложнит практическую реализацию такого корректирующего устройства.

Делитель 20 позволяет значительно упростить реализацию корректирующего устройства.

На второй вход делителя 20 с выхода вычислителя квадратного корня 11 поступает постоянное напряжение E₂, амплитуда которого в точности равна амплитуде A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t).

На выходе делителя 20 формируется (фиг.2) сигнал косинусоидальной формы

$$S_k\left(t\right)=M_2\left(t\right)/E_m=A^2\cos \left({\omega }_{1}t\right)/A=A\cos \left({\omega }_{1}t\right),\text{ (12)}$$

который поступает на пятый выход функционального генератора и на второй вход третьего сумматора 19, при этом N₅(t)=S_k(t).

В результате суммирования сигналов M₁(t) и S_k(t) на выходе сумматора 19 формируется (фиг.4) сигнал

$$N_4\left(t\right)=k_9{M}_1\left(t\right)+k_{10}{S}_k\left(t\right),\text{ (13)}$$

который поступает на четвертый выход функционального генератора (фиг.1).

Поскольку амплитуда корректирующего сигнала S_k(t) теперь становится равной значению A, то не возникает проблем с коррекцией синтезированного сигнала M₁(t), и при любых изменениях амплитуды A квадратурных сигналов N₁(t) и N₂(t), то есть при их регулировке, будет сохраняться высокая линейность сигнала треугольной формы N₄(t).

Введение корректирующего сигнала S_k(t) косинусоидальной формы на второй вход сумматора 19 и выбор оптимальных значений коэффициентов k₉ и k₁₀ сумматора 19 позволило значительно повысить (более чем в 20 раз) линейность сигнала на четвертом выходе функционального генератора (фиг.4).

Использование предлагаемого изобретения позволит расширить функциональные возможности устройства и обеспечить его работоспособность при изменении амплитуды квадратурных сигналов в широких пределах.

Источники информации

1. Патент РФ 101291, МПК⁷ H03B 27/00. Функциональный генератор / 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»). №2010137125/09; заявл. 06.09.2010; опубл. 10.01.11, Бюл. №1. - 8 с.: 5 ил.

2. Дубровин В.С. Многоконтурная система стабилизации управляемого генератора / В.С.Дубровин, В.В. Никулин // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2013. - №1. - С.74-82.

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в аппаратуре связи, измерительной и вычислительной технике для формирования квадратурных гармонических сигналов нескольких частот и сигналов различной формы одинаковой частоты. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей и сохранение высокой линейности сигнала треугольной формы при изменении амплитуды квадратурных гармонических сигналов в широких пределах. Функциональный генератор содержит схему сравнения, перемножитель, первый сумматор, первый и второй управляемые интеграторы, инвертор, релейный элемент, первый и второй квадраторы, второй сумматор, вычислитель квадратного корня, формирователь сигнала треугольной формы. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Функциональный генератор, содержащий схему сравнения, перемножитель, первый сумматор, первый и второй управляемые интеграторы, инвертор, релейный элемент, первый и второй квадраторы, второй сумматор и вычислитель квадратного корня, включенный между выходом второго сумматора и вторым входом схемы сравнения, к выходу которой подключен первый вход перемножителя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, к выходу которого подключен первый вход первого управляемого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго управляемого интегратора, входом инвертора, входом первого квадратора и первым выходом функционального генератора, второй выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выходом второго управляемого интегратора и входом второго квадратора, к выходу которого подключен второй вход второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора, при этом к выходу инвертора подключен вход релейного элемента, выход которого соединен с вторым входом перемножителя и третьим выходом функционального генератора, первая управляющая шина которого соединена с вторыми входами первого и второго управляемых интеграторов, а вторая управляющая шина функционального генератора соединена с первым входом схемы сравнения, отличающийся тем, что в него введен формирователь сигнала треугольной формы, первый и второй входы которого подключены к выходам, соответственно, первого и второго управляемых интеграторов, третий, четвертый выходы формирователя сигнала треугольной формы соединены с выходами, соответственно, второго и первого квадраторов, а к выходу вычислителя квадратного корня подключен пятый вход формирователя сигнала треугольной формы, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с четвертым и пятым выходами функционального генератора.

2. Функциональный генератор по п.1, отличающийся тем, что формирователь сигнала треугольной формы выполнен из первого и второго вычислителей модуля, первого и второго вычитателей, третьего сумматора и делителя, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора и вторым выходом формирователя сигнала треугольной формы, первый выход которого соединен с выходом третьего сумматора, первый вход которого подключен к выходу первого вычитателя, выход второго вычитателя соединен с первым входом делителя, первый вычислитель модуля включен между первым входом формирователя сигнала треугольной формы и первым входом первого вычитателя, при этом третий и четвертый входы формирователя сигнала треугольной формы соединены, соответственно, с первым и вторым входами второго вычитателя, а между вторым входом формирователя сигнала треугольной формы и вторым входом первого вычитателя включен второй вычислитель модуля.