ФОРМИРОВАТЕЛЬ КВАДРАТУРНЫХ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 2015 года по МПК H03B27/00 

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано при построении многофазных генераторов, а также в устройствах модуляции-демодуляции квадратурных сигналов.

Известно устройство [1], содержащее две параллельно-включенные цепочки, состоящие из элементарных фазовых звеньев, модуль коэффициента передачи которых равен единице, а фазовый сдвиг изменяется от 0 до 180 электрических градусов при изменении частоты. На собственной частоте звена фазовый сдвиг равен φ₀=π/2, общее число звеньев определяет порядок фазовращателя. При соответствующем выборе собственных частот звеньев (частот среза) и достаточном количестве звеньев в каждой цепочке разность фаз на выходе устройства равна 90° с небольшими отклонениями, причем число частот, на которых разность фаз точно равна 90°, совпадает с порядком фазовращателя. Для получения отклонений по фазе приходится использовать большое количество элементарных звеньев, что является существенным недостатком устройства.

Формирователь квадратурных сигналов [2], использующий подобный принцип для построения фазовращающих цепочек, имеет неравномерность амплитудно-разностной частотной характеристики в рабочем диапазоне частот около 3 дБ, то есть коэффициент передачи такого формирователя изменяется в 1,41 раза при изменении частоты. При использовании формирователя квадратурных сигналов в устройствах получения многофазных колебаний подобное отклонение (3 дБ) является недопустимо большим. Дело в том, что система многофазных колебаний получается путем геометрического суммирования в требуемых пропорциях квадратурных сигналов. Даже незначительное изменение амплитуд квадратурных сигналов неизбежно приведет к изменениям амплитуды и фазового сдвига формируемого колебания.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип формирователь квадратурных сигналов [3], содержащий источник гармонического сигнала, два фазовращателя, каждый из которых выполнен из резистора, конденсатора и операционного усилителя, два формирователя стробирующих импульсов, каждый из которых выполнен из компаратора и одновибратора, два устройства выборки-хранения, два делителя, два ограничителя, два умножителя, два сумматора, два инвертора и компаратор, к выходу которого подключены вторые входы сумматоров и вход второго инвертора, выход которого соединен со вторыми входами умножителей, выходы которых соединены с соответствующими выходами формирователя квадратурных сигналов, при этом между выходом первого фазовращателя и вторым входом второго устройства выборки-хранения включены последовательно соединенные первый инвертор и второй формирователь стробирующих импульсов, между выходом второго фазовращателя и вторым входом первого устройства выборки-хранения включен первый формирователь стробирующих импульсов, первый ограничитель включен между выходом первого делителя и первым входом первого умножителя, между выходом второго делителя и первым входом второго умножителя включен второй ограничитель, компаратор подключен к выходу первого устройства выборки-хранения, а к источнику гармонического сигнала подключены входы фазовращателей, причем выход первого фазовращателя соединен с первым входом первого делителя и первым входом первого устройства выборки-хранения, к выходу которого подключен первый вход первого сумматора, а выход второго фазовращателя соединен с первым входом второго делителя и первым входом второго устройства выборки-хранения, к выходу которого подключен первый вход второго сумматора.

При подаче на вход устройства гармонического сигнала с амплитудным значением, изменяющимся в широких пределах, на первом и втором выходах устройства формируются квадратурные гармонические сигналы, для стабилизации амплитудных значений которых требуется двухканальный стабилизатор. Кроме того, фазовые сдвиги между входным сигналом и каждым из квадратурных сигналов не остаются постоянными, а зависят от частоты входного сигнала, поскольку при изменении частоты изменяются не только амплитудно-частотные, но и фазочастотные характеристики пассивных фазовращающих RC-цепей.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является формирование квадратурных гармонических сигналов, фазовые сдвиги которых будут синхронизированы с фазой входного сигнала, амплитуда и частота которого могут изменяться в широких пределах.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в формировании квадратурных гармонических сигналов, фазовые сдвиги которых будут синхронизированы с фазой входного сигнала, амплитуда и частота которого могут изменяться в широких пределах.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в формирователь квадратурных гармонических сигналов, содержащий источник гармонического сигнала, первый и второй фазовращатели, первый и второй компараторы, первый и второй одновибраторы, первое и второе устройства выборки-хранения, делитель, умножитель и сумматор, выход которого соединен со вторым выходом формирователя квадратурных гармонических сигналов, первый выход которого соединен с входами первого и второго фазовращателей, к выходу первого фазовращателя подключен неинвертирующий вход первого компаратора, между выходом которого и вторым входом первого устройства выборки-хранения включен первый одновибратор, к выходу второго фазовращателя подключен инвертирующий вход второго компаратора, между выходом которого и первым входом второго устройства выборки-хранения включен второй одновибратор, при этом к выходу первого фазовращателя подключен первый вход второго устройства выборки-хранения, выход которого соединен со вторым входом делителя, первый вход которого подключен к выходу первого устройства выборки-хранения, первый вход которого соединен с выходом второго фазовращателя, между входом которого и общей шиной включен источник гармонического сигнала, причем инвертирующий вход первого и неинвертирующий вход второго компараторов соединены с общей шиной, дополнительно введены первый и второй резисторы, конденсатор, операционный усилитель и масштабирующий усилитель, включенный между выходом делителя и вторым входом умножителя, к выходу которого подключен второй вход сумматора, первый вход которого соединен с входом первого фазовращателя, при этом первый резистор включен между инвертирующим входом операционного усилителя и выходом умножителя, первый вход которого подключен к выходу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, конденсатор включен между выходом и неинвертирующим входом операционного усилителя, причем второй резистор включен между входом первого фазовращателя и инвертирующим входом операционного усилителя.

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 заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Введение дополнительных элементов, а также организация новых связей между функциональными элементами позволило сформировать квадратурные гармонические сигналы, фазовые сдвиги которых синхронизированы с фазой входного сигнала, амплитуда и частота которого могут изменяться в широких пределах.

Изобретение поясняется структурной схемой формирователя квадратурных гармонических сигналов, изображенной на фиг. 1, и графиками, поясняющими принцип работы формирователя квадратурных гармонических сигналов на фиг. 2.

Формирователь квадратурных гармонических сигналов содержит (фиг. 1) источник гармонического сигнала 1, первый 2 и второй 3 фазовращатели, первый 4 и второй 5 компараторы, первый 6 и второй 7 одновибраторы, первое 8 и второе 9 устройства выборки-хранения, делитель 10, умножитель 11, сумматор 12, первый 13 и второй 14 резисторы, конденсатор 15, операционный усилитель 16 и масштабирующий усилитель 17, включенный между выходом делителя 10 и вторым входом умножителя 2, к выходу которого подключен второй вход сумматора 12, выход которого соединен со вторым выходом формирователя квадратурных гармонических сигналов, первый выход которого соединен с входами первого 2 и второго 3 фазовращателей, при этом первый одновибратор 6 включен между выходом первого компаратора 4 и вторым входом первого устройства выборки-хранения 8, выход которого соединен с первым входом делителя 10, второй одновибратор 7 включен между выходом второго компаратора 5 и вторым входом второго устройства выборки-хранения 9, выход которого соединен со вторым входом делителя 10, первый резистор включен между выходом умножителя 11 и инвертирующим входом операционного усилителя, второй резистор 14 включен между первым входом сумматора 11 и инвертирующим входом операционного усилителя 16, конденсатор 15 включен между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 16, выход которого соединен с первым входом умножителя 11, источник гармонического сигнала 1 включен между входом первого фазовращателя 2 и общей шиной, которая соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя 16, инвертирующим входом первого компаратора 4 и неинвертирующим входом второго компаратора 5, инвертирующий вход которого соединен с первым входом первого устройства выборки-хранения 8 и выходом второго фазовращателя 3, неинвертирующий вход первого компаратора 4 соединен с первым входом второго устройства выборки-хранения 9 и выходом первого фазовращателя 2, вход которого соединен с первым входом сумматора 12.

Формирователь квадратурных гармонических сигналов работает следующим образом.

С выхода источника гармонического сигнала 1 на входы первого 2 и второго 3 фазовращателей поступает (фиг. 2) гармонический сигнал

с амплитудным значением сигнала A₀ и частотой ω=2πf.

После окончания переходного процесса на выходе первого фазовращателя 2 также устанавливаются гармонические колебания V₁(t) с той же самой частотой ω, но с другой амплитудой А₁ и фазой φ₁

а на выходе второго фазовращателя 3 - гармонические колебания V₂(t) с амплитудой А₂ и фазой φ₂

Для нахождения амплитудных значений и фазовых сдвигов между сигналами V₁(t) и V₂(t), а также между входным сигналом N₀(t) и формируемыми сигналами V₁(t) и V₂(t) воспользуемся операторным методом, для этого найдем передаточные функции H₁(s) и H₂(s) соответственно первого 2 и второго 3 фазовращателей.

Передаточная функция (ПФ) первого фазовращателя 2

где τ₁ - постоянная времени первого фазовращателя 1; s - комплексная переменная.

Передаточная функция второго фазовращателя 3

где τ₂ - постоянная времени второго фазовращателя 3.

Передаточная функция Н₁(s) соответствует инерционному (апериодическому) звену первого порядка, а передаточная функция Н₂(s) - реальному дифференцирующему звену.

При τ₁=τ₂=τ передаточная функция первого фазовращателя 2

а передаточная функция второго фазовращателя 3

Подставив значение комплексной переменной s=jω в уравнения (6) и (7), найдем комплексные частотные функции (КЧФ) первого H₁(jω) и второго H₂(jω) фазовращателей

Коэффициент передачи первого фазовращателя 2 (модуль комплексной частотной функции), определяющий изменение амплитуды Α₁ сигнала V₁(t) от частоты ω,

Коэффициент передачи второго фазовращателя 3

Фазовый сдвиг φ₁(ω) между выходным V₁(t) и входным N₀(t) колебаниями определяется выражением

а фазовый сдвиг φ₂(ω) между выходным V₂(t) и входным N₀(t) колебаниями определяется выражением

Фазовый сдвиг φ₂₁(ω) между колебаниями V₂(t) и V₁(t)

Из (12) следует, что фазовый сдвиг φ₂₁(ω) между выходными колебаниями V₂(t) и V₁(t) при любых изменениях частоты ω и постоянной времени τ будет неизменным и составит 90 электрических градусов.

Однако фазовые сдвиги между входным сигналом N₀(t) и формируемыми сигналами V₁(t) и V₂(t), как следует из выражений (10) и (11), будут изменяться при изменении частоты f входного сигнала N₀(t).

В формирователе квадратурных сигналов [3], который принят за прототип, фазы выходных квадратурных сигналов жестко привязаны к фазам фазовращающих цепей, поэтому фазовые сдвиги выходных сигналов формирователя также будут зависеть от частоты сигнала, что ограничивает применение устройства (прототипа) в некоторых системах, например системах синхронизации.

Получение квадратурных гармонических сигналов, синхронизированных с входным источником во всем рабочем диапазоне частот, происходит в предлагаемом формирователе следующим образом.

Операционный усилитель 16, два резистора 13 и 14, а также конденсатор 15 образуют инвертирующий интегратор, выходной сигнал которого

где k₁(s)=1/(R₁C·s)=1/(T₁s) и k₂(s)=1/(R₂C·s)=1/(T₂s) - коэффициенты передачи интегратора соответственно по первому и второму входам; С - величина емкости конденсатора 15; R₁ и R₂ - значения сопротивлений соответствующих резисторов 14 и 13; T₁ и T₂ - постоянные времени.

Сигнал L₂(s) на выходе перемножителя 11

где m - масштабный коэффициент перемножителя 11;

Е_у - управляющее напряжение.

При совместном решении (13) и (14) найдем выражение для передаточной функции

где К_Ф=Т₂/Τ₁=R₂/R₁ - коэффициент передачи управляемого фильтра;

Т_у=Т₂/(mЕ_у) - управляемая постоянная времени.

Таким образом, передаточная функция (15) описывает классический фильтр нижних частот (ФНЧ) первого порядка с управляемой постоянной времени.

На первый вход сумматора 12, который является инвертирующим, подается сигнал L₂(s), а на второй вход - сигнал N₀(s). В результате суммирования сигналов на выходе сумматора 12 формируется сигнал

где k₃ и k₄ - коэффициенты передачи сумматора 12 соответственно по первому и второму входам.

Совместное решение (15) и (16) дает возможность найти передаточную функцию управляемого фазовращателя, образованного ФНЧ и инвертирующим сумматором 12

Анализ выражения (17) показывает, что при k₄=1 и K_Ф·k₃=2 передаточная функция W₂(s) управляемого фильтра принимает вид

классического всепропускающего (фазового) фильтра первого порядка.

Для реализации (18) удобно принять R₁=R₂, тогда K_Ф=1. В этом случае коэффициент передачи сумматора 12 по первому входу k₃=2.

Подставив значение комплексной переменной s=jω в уравнение (18), найдем комплексную частотную функцию фазового фильтра

Модуль КЧФ не зависит от частоты и равен единице

а аргумент

Для получения квадратурных сигналов во всем диапазоне рабочих частот от f_min до f_mах необходимо обеспечить (фиг. 2) для сигнала S₂(t) стабильный фазовый сдвиг

После подстановки значения ψ₂(ω) из (22) в (21) и в результате элементарных преобразований получим

Значение tg(π/4)=1, поэтому перепишем формулу (23)

Из (24) следует, что для обеспечения стабильных фазовых сдвигов во всем диапазоне рабочих частот необходимо, чтобы управляющее напряжение Е_у изменялось пропорционально частоте f входного сигнала N₀(t)

где K_f - коэффициент пропорциональности.

Значение постоянной времени Т₂ выбирается из условия

где f₀ - значение номинальной частоты входного сигнала, величину которой следует выбирать из условия согласования с частотой среза ω_с=ω₀=2π·f₀ неуправляемых фазовращателей (2) и (3).

Формирование управляющего напряжения Е_у, пропорционального значению частоты f входного источника 1, происходит следующим образом.

Как следует из (8) и (9), коэффициенты передачи первого 2 и второго 3 фазовращателей зависят от частоты.

При частоте среза

коэффициенты передачи первого 2 и второго 3 фазовращателей будут иметь равные значения .

Номинальное значение частоты f₀ следует выбирать из условия

Совместное решение (27) и (28) дает возможность определить величину постоянной времени τ неуправляемых фазовращателей 2 и 3

Компаратор 4, одновибратор 6 и устройство выборки-хранения 8 образуют первый пиковый детектор (ПД1), а второй компаратор 5, одновибратор 7 и устройство выборки-хранения 9 - второй пиковый детектор (ПД2).

Пиковые детекторы ПД1 и ПД2 работают следующим образом.

Первый компаратор 4 формирует из сигнала V₁(t) сигнал K₁(t) прямоугольной формы (фиг. 2), а второй компаратор 5 формирует из сигнала V₂(t) сигнал прямоугольной формы K₂(t).

Одновибраторы 6 и 7, срабатывающие по переднему фронту поступающих на их входы импульсов K₁(t) и K₂(t), формируют узкие импульсы Τ₁ и Т₂, поступающие на соответствующие входы первого 8 и второго 9 устройств выборки-хранения.

Поскольку время прихода импульсов T₁ и Т₂ на входы устройств выборки-хранения 8 и 9 всегда совпадает с максимальными (экстремальными) значениями соответствующих сигналов V₁(t) и V₂(t), поступающими на первые входы устройств выборки-хранения 8 и 9, а длительность управляющих импульсов T₁ и Т₂ чрезвычайно мала, то постоянные напряжения E₁ и Е₂, формируемые на выходах устройств выборки-хранения 8 и 9, будут в точности равны пиковым (амплитудным) значениям А₁ и А₂ сигналов V₁(t) и V₂(t), то есть Е₁=А₁ и Е₂=А₂.

На выходе делителя 10 формируется сигнал

где f^*=f/f₀ - относительное значение частоты.

Таким образом, как следует из (30), на выходе делителя формируется напряжение E_F, пропорциональное частоте входного сигнала, которое с помощью масштабирующего усилителя 17 преобразуется в управляющее напряжение Е_у, поступающее на второй вход управляемого фазовращателя.

Очевидно, что коэффициент пропорциональности K_f будет определяться величиной коэффициента передачи масштабирующего усилителя 17, то есть K_f=Е_У0/E_F0, где Е_У0 и Ε_F0 - значения напряжений, которые соответствуют номинальному значению частоты f₀ входного сигнала N₀(t).

Формирователь обеспечивает получение квадратурных гармонических сигналов, фазовые сдвиги которых синхронизированы с фазой входного сигнала, амплитуда и частота которого могут изменяться в широких пределах.

Источники информации

1. Поляков В.Т. Трансиверы прямого преобразования. - М: ДОСААФ, 1984, с. 61, рис. 35.

2. Агунов А.В. Низкочастотный фазовращатель для SSB модулятора. Журнал «Радио», 2007, №6, с. 74.

3. Патент РФ №127554, H03B 27/00. Дубровин B.C., Зюзин A.M. Формирователь квадратурных сигналов, заявл. 07.09.2012, опубл. 27.04.2013. Бюл. №12 (прототип).

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в многофазных генераторах, а также в устройствах модуляции-демодуляции квадратурных сигналов. Достигаемый технический результат - осуществление синхронизации выходных сигналов с фазой входного сигнала, амплитуда и частота которого могут изменяться в широких пределах. Формирователь квадратурных гармонических сигналов, содержит источник гармонического сигнала, два фазовращателя, два компаратора, два одновибратора, два устройства выборки-хранения, делитель, умножитель, сумматор, выход которого соединен со вторым выходом формирователя квадратурных гармонических сигналов, первый выход которого соединен с входами первого и второго фазовращателей, два резистора, конденсатор, операционный усилитель и масштабирующий усилитель, при этом источник гармонического сигнала включен между входом второго фазовращателя и общей шиной. 2 ил.

Формирователь квадратурных гармонических сигналов, содержащий источник гармонического сигнала, первый и второй фазовращатели, первый и второй компараторы, первый и второй одновибраторы, первое и второе устройства выборки-хранения, делитель, умножитель и сумматор, выход которого соединен со вторым выходом формирователя квадратурных гармонических сигналов, первый выход которого соединен с входами первого и второго фазовращателей, к выходу первого фазовращателя подключен неинвертирующий вход первого компаратора, между выходом которого и вторым входом первого устройства выборки-хранения включен первый одновибратор, к выходу второго фазовращателя подключен инвертирующий вход второго компаратора, между выходом которого и первым входом второго устройства выборки-хранения включен второй одновибратор, при этом к выходу первого фазовращателя подключен первый вход второго устройства выборки-хранения, выход которого соединен со вторым входом делителя, первый вход которого подключен к выходу первого устройства выборки-хранения, первый вход которого соединен с выходом второго фазовращателя, между входом которого и общей шиной включен источник гармонического сигнала, причем инвертирующий вход первого и неинвертирующий вход второго компараторов соединены с общей шиной, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый и второй резисторы, конденсатор, операционный усилитель и масштабирующий усилитель, включенный между выходом делителя и вторым входом умножителя, к выходу которого подключен второй вход сумматора, первый вход которого соединен с входом первого фазовращателя, при этом первый резистор включен между инвертирующим входом операционного усилителя и выходом умножителя, первый вход которого подключен к выходу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, конденсатор включен между выходом и неинвертирующим входом операционного усилителя, причем второй резистор включен между входом первого фазовращателя и инвертирующим входом операционного усилителя.