Генератор сигналов произвольной формы Российский патент 2023 года по МПК H03K3/64 H03L7/87 

Изобретение относится к технике синтеза колебаний и может быть использовано в измерительной технике в качестве формирователя измерительных сигналов, а также в качестве генератора специализированных сигналов при создании и настройке электронных устройств автоматики, радиотехники и связи.

Известны генераторы сигналов произвольной формы [1, 2], формирующие выходное колебание путем «сшивания» линейно изменяющихся отрезков напряжения различной крутизны нарастания. Недостатком таких генераторов является то, что создаваемое ими полезное колебание представляется не гладкой, а ломаной линией.

Существуют генераторы сигналов произвольной формы на основе дискретного представления формируемого колебания с последующей фильтрацией [3]. Изначально сигнал задается совокупностью выборок, представленных в виде цифрового кода, записанного в электронное запоминающее устройство. Считываемые кодовые выборки подвергаются цифро-аналоговому преобразованию (ЦАП) с целью получения выходного колебания ступенчатого вида, близкого по форме аналоговому. Для уменьшения шумов квантования, обусловленных ступенчатым изменением сигнала на выходе ЦАП, на выходе генератора устанавливается фильтр нижних частот (ФНЧ). Недостатком такого метода формирования является то, что уровень шума, присутствующий в выходном колебании, существенно зависит от разрядности исходного кодового представления сигнала, разрядности ЦАП и согласованности полосы пропускания ФНЧ со спектром формируемого колебания. При произвольной вариации частоты и формы синтезируемого колебания достаточно сложно обеспечить необходимую подстройку параметров ФНЧ так, чтобы его полоса пропускания была согласована со спектром формируемого колебания. Следствием этого является формирование выходного колебания с существенным уровнем дополнительного шума, обусловленного дискретным представлением исходного сигнала.

Рассмотренные методы формирования колебаний произвольной формы требуют предварительной заготовки его исходных составляющих в виде кусочно-линейного или кодового представления. В случае, когда форма колебания не известна, что часто бывает при решении задач исследовательского типа, синтез такого колебания существенно усложняется.

Известен способ [4] решения задачи синтеза колебаний произвольной формы, базирующийся на их представлении исходя из разложения функции в гармонический ряд Фурье. То есть колебание произвольной формы синтезируется на основе его гармонических составляющих, представляющих собой аналоговые сигналы. В этом случае выходной сигнал, формируемый на основе совокупности аналоговых сигналов, не имеет шумов, свойственных рассмотренным ранее методам.

Способ [4, стр. 40] технически воплощается в виде синтезатора сложного сигнала (фиг. 1), состоящего и опорного генератора (ОГ), совокупности генераторов-калибраторов (модифицированных синтезаторов) с регулировками частоты, амплитуды и фазы (ГКЧАФ), и аналогового сумматора (∑). Генераторы-калибраторы реализованы на основе систем фазовой синхронизации (СФС). Формирование выходного колебания осуществляется путем установки частоты, амплитуды и фазы колебаний в каждом из генераторов-калибраторов.

В рассматриваемом методе выполнение настройки параметров ГКЧАФ может быть произведено без предварительного знания конкретного вида выходного колебания. Форму выходного колебания можно настраивать путем изменения параметров каждого ГКЧАФ, наблюдая итоговое колебание с помощью осциллографа. Такой подход значительно упрощает и повышает оперативность создания колебания требуемой формы.

Синтезатор сложного сигнала, использующий формирование выходного колебания на основе его гармонических составляющих, выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является то, что в [4] представлена лишь структурная схема синтезатора сложного сигнала без раскрытия сущности реализации каждого из его блоков. Имеющейся информации не достаточно для того чтобы практически создать указанный синтезатор сложного сигнала. Если реализация генератора опорного колебания и многовходового сумматора напряжений большой сложности не вызывают, то реализация генератора-калибратора с независимыми регулировками частоты, амплитуды и фазы представляет проблему.

Задача генерации гармонического колебания с независимыми регулировками частоты и фазы решается путем использования прямых цифровых синтезаторов (Direct Digital Synthesis, DDS) частоты [5]. В их работе используется принцип аналогичный рассмотренному в [3]. Основу синтезатора составляет постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в которое записываются в виде цифрового кода амплитудные значения синусоидального сигнала для различных значений фазы на периоде колебания. Шаг изменения фазы может составлять доли градуса. При последовательном изменении кода адреса ПЗУ на его выход передаются кодовые составляющие, соответствующие последовательному изменению фазы синусоидального сигнала. Данные коды поступают на вход цифро-аналогового преобразователя. В результате на выходе ЦАП формируется гармоническое колебание.

Если из ПЗУ считываются все составляющие синусоидального колебания и разрядность кода выборок мгновенных значений колебания достаточно большая (от 10 до 12 разрядов), на выходе ЦАП формируется колебание по форме мало отличающееся от аналогового представления соответствующего колебания. Однако в этом случае требуется запоминать в ПЗУ большой объем кодов, последовательный выбор которых не позволяет формировать выходное колебание высокой частоты. Так, если адресная шина ПЗУ составляет 12 разрядов, то при опорной частоте 50 МГц можно будет сформировать выходное гармоническое колебание с частотой не выше 50000000/2¹²=50000000/4096≈10207 Гц. В этом случае из ПЗУ считываются выборки с шагом изменения фазы выходного колебания, равным 36074096=0,88°. При этом форма выходного колебания будет близкой к ее аналоговому представлению.

Для получения частоты в пять раз большей, чем 10,2 кГц, необходимо из ПЗУ считывать не все кодовые выборки подряд, а лишь каждую пятую. В этом случае из ПЗУ считываются выборки с шагом изменения фазы 0,88°^⋅5=4,4°. При этом форма колебания на выходе ЦАП будет таковой, что для обеспечения спектральной чистоты формируемого колебания требуется использовать ФНЧ, устанавливаемый на выходе цифро-аналогового преобразователя.

При формировании гармонических колебаний, когда их частота может настраиваться произвольной, например, используется вариация частоты опорного генератора, будет требоваться соответствующая перестройка ФНЧ, которую для изменяющейся частоты колебания реализовать достаточно сложно.

В [6] предложено устройство регулировки амплитуды и фазы переменного напряжения, состоящее из двух систем фазовой автоподстройки частоты, одна из которых позволяет осуществлять независимую регулировку амплитуды, а другая - фазы колебания. Для осуществления дополнительной регулировки частоты колебания следует на входе данного устройство включить еще одну систему ФАПЧ, с помощью которой можно выполнить синхронизацию («привязку») кратного опорному по частоте выходного колебания и опорного колебания. Таким образом, если рассматривать устройство регулировки амплитуды и фазы с дополнительной системой ФАПЧ в качестве аналога блока ГКЧАФ, то можно отметить, что его реализация достаточно сложна, поскольку основана на трех системах фазовой автоподстройки частоты.

Цель изобретения - упрощение генератора сигналов произвольной формы (ГСПФ) за счет уменьшения сложности реализации его блоков, позволяющих обеспечивать раздельную независимую регулировку частоты, амплитуды и фазы гармонического колебания.

Указанная цель достигается в блоке регулировки частоты, амплитуды и фазы гармонического колебания заменой нескольких систем ФАПЧ одной.

Структура заявляемого устройства представлена на фиг. 2. Она содержит генератор опорного колебания 1, N колец (систем) ФАПЧ 2₁, 2₂, …, 2_N, аналоговый N-входовой сумматор напряжения 3. Выходом устройства является выход сумматора.

Все кольца ФАПЧ генератора сигналов произвольной формы имеют одинаковую структуру, реализация которой аналогична представленной в схеме функционального преобразователя с регулировкой амплитуды и фазы выходного колебания [7].

Структура кольца ФАПЧ (условно обозначим его номером i) представлена на фиг. 3. Поскольку кольцо ФАПЧ является составляющим элементом ГСПФ и его структура является дополнением к структуре фиг. 2 заявляемого устройства, нумерацию узлов кольца ФАПЧ выполним продолжающейся, то есть начинающейся с цифры 4. Кольцо ФАПЧ содержит следующие узлы: логический фазовый дискриминатор 4_i, формирователь двуполярных нелинейных управляющих напряжений 5_i, астатическое звено, состоящее из интегратора 6_i, пропорционального звена 7_i, и сумматора напряжений 8_i, подстраиваемый генератор 9_i, усилитель напряжения 10_i, компаратор напряжения с нулевым порогом сравнения 11_i, линия задержки 12_i.

Колебание U_оп опорной частоты с уровнями цифровой логики, формируемое на выходе генератора опорного колебания, подается на опорный вход логического фазового дискриминатора (ЛФД) 4_i, являющийся входом кольца ФАПЧ. Выходы ЛФД 4_i подключены к входам формирователя нелинейных управляющих напряжений 5_i. Формирователь нелинейных управляющих напряжений 5_i используется для получения аналогового управляющего напряжения кольца ФАПЧ на основе цифровых выходных сигналов ЛФД 4_i. Механизм работы формирователя 5_i рассмотрен в [8]. Выход формирователя 5_i подключен к входам интегратора 6_i и пропорционального звена 7_i, которые совместно с сумматором напряжений 8_i образуют пропорционально-интегрирующий фильтр кольца ФАПЧ. Управляющее напряжение, сформированное на выходе сумматора напряжений 8_i, подается на управляющий вход подстраиваемого генератор 9_i. Выход подстраиваемого генератора 9_i подключен к входу усилителя напряжения 10_i. Усилитель напряжения 10_i имеет элемент регулировки, позволяющий изменять коэффициент усиления усилителя, и как следствие, масштабировать амплитуду колебания, формируемого генератором 9_i. Выход усилителя напряжения 10_i, являющийся выходом кольца ФАПЧ с номером i, на котором формируется выходное напряжение U_гi, подключен к входу компаратора напряжения с нулевым пороговым уровнем 11_i. Компаратор 11_i преобразует двуполярное напряжение U_гi в однополярное напряжение U_прi с уровнями цифровой логики, которое через линию задержки 12_i подается на второй вход ЛФД 4_i. Линия задержки 12_i имеет элемент регулировки, обеспечивающий управление задержкой (фазовым сдвигом) напряжения относительно напряжения U_прi.

Регулирование параметров узлов 10_i и 12_i можно осуществить, изменяя значения параметров пассивных элементов их схем, например сопротивлений резисторов. Возможные примеры реализации узлов 10_i и 12_i представлены на фиг. 4 и 5 соответственно. На фиг. 4 показана схема на операционных усилителях DA1 и DA2, позволяющая путем изменения величины сопротивления резистора R2, обозначенного стрелкой, задавать коэффициент усиления схемы К≥0. На фиг. 5 приведена схема линии задержки, выполненной в виде RC-цепи с формирователями цифрового сигнала на логических инверторах DD1 и DD2. Изменение сопротивления резистора R, обозначенного стрелкой, позволяет изменять крутизну нарастания выходного сигнала RC-фильтра и, как следствие, регулировать задержку колебания на выходе схемы от колебания на его входе.

Работу кольца ФАПЧ при изменении амплитуды подстраиваемого колебания и его фазового сдвига относительно опорного колебания (механизм рассмотрен в [7]) можно пояснить временными диаграммами в режимах синхронизации им колебаний одинаковых (фиг. 6) и разных (фиг. 7) частот.

Поскольку кольцо ФАПЧ содержит логический фазовый дискриминатор, позволяющий выполнять оценку разности фаз как одинаковых, так и кратных частот [9], подстраиваемый генератор 9_i может быть настроен на генерирование частоты iF_оп, кратной частоте F_оп опорного колебания, где i=1, 2, …, N. Форма опорного колебания может отличаться от формы колебания, создаваемого подстраиваемым генератором 9_i, поскольку компаратором 11_i колебание подстраиваемого генератора преобразуется к форме опорного колебания. Настройка частоты подстраиваемого генератора осуществляется путем определения параметров его частотно-задающих цепей (RC-цепи или LC-контура).

Механизмы работы кольца ФАПЧ для случая формирования гармонического колебания с частотой, равной частоте опорного колебания (случай, когда номер кольца ФАПЧ i=1), иллюстрируются эпюрами напряжений, показанными на фиг. 6. Кольцом ФАПЧ обеспечивается подстройка колебаний U_оп и U_n1 с фазовой ошибкой [10]. Указанная разность фаз колебаний может также отображаться и во временном измерении в виде задержки Δt=0. Колебание U_n1 формируется путем задержки колебания U_пр1 на время Δt_з1 регулируемой линией задержки, а колебание U_np1 получается из колебания U_г1 путем преобразования его формы из синусоидальной в прямоугольную с уровнями цифровой логики посредством аналогового компаратора. Колебания U_пр1 и U_г1 можно считать синфазными, если пренебречь задержкой распространения сигнала через компаратор, и опережающими колебание U_оп по времени на величину Δt_з1 или по фазе на величину где Т_оп - период опорного колебания, равный периоду подстраиваемого колебания Т₁. При этом амплитуда U_A1 колебания U_г1 может быть любой, поскольку в дальнейшем это колебание преобразуется в однополярное импульсное колебание, аналогичное по форме колебаниям U_оп и U_п1, подаваемым на входы ЛФД.

Механизм работы кольца ФАПЧ в процессе подстройки кратных частот (рассмотрен случай кольца ФАПЧ с номером i-2) иллюстрирован эпюрами напряжений, представленными на фиг. 7. Колебания U_оп с частотой и U_n2 частотой синхронизируются по передним фронтам колебаний с фазовой ошибкой поскольку Δt=0. Задержка колебания U_п2 относительно колебания U_пр2 на время Δt_з2 обеспечивает сдвиг по фазе между указанными колебаниями где Т₂ - период подстраиваемого колебания. Соответствующий фазовый сдвиг обеспечивается и между колебаниями U_оп и U_г2.

Амплитуда подстраиваемого колебания U_г2 может регулироваться с помощью усилителя напряжения кольца. При этом ее значение, за исключением случая U_г2=0, не влияет на работу кольца ФАПЧ, поскольку имеет место преобразование посредством компаратора формы выходного колебания к импульсному виду, необходимому для обеспечения работы ЛФД. При коэффициенте усиления усилителя напряжения, равном нулю, на выходе кольца ФАПЧ устанавливается нулевое напряжение. То есть, в этом случае кольцо ФАПЧ не обеспечивает вклада в формирование выходного колебания ГСПФ.

Выходное колебание генератора сигналов произвольной формы представляется выражением где А_i - амплитуда i-той гармонической составляющей колебания, t - время, - фаза i-той гармонической составляющей. В качестве примера синтеза сигнала произвольной формы рассмотрим его реализацию на основе трех гармонических составляющих с частотами F_оп, 2F_оп, 3F_оп с произвольными значениями амплитуд и фаз.

Формула, определяющая связь выходного напряжения U_вых=U_г с напряжениями, на основе которых реализуется его синтез, следующая:

Механизм получения выходного колебания U_г генератора при амплитудах A₁=0.5, А₂=0.%, А₃=0.7, частотах F_оп=1000, 2F_оп=2000, 3F_оп=3000 и фазах ϕ₁=π/6, ϕ₂=-2π/3, ϕ₃=2π/3 составляющих его гармонических колебаний показан на фиг. 8.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А.с. №2019908 МПК Н03К 4/00. Генератор сигналов сложной формы. / Кирюхин К.Н., Фроленков М.А. Заявлено 25.04.1991 (№4931515/21); опубл. 15.09.1994.

2. Пат. РФ №99120936 МПК Н03К 4/02. Способ формирования сигнала сложной формы. / Капля Э.И. Заявлено 04.10.1999 (№99120936/99); опубл. 10.09.2001.

3. Дедюхин А.А. Прецизионные генераторы сигналов сложной формы А-КИП ГСС-93/1 и ГСС-93/2.// Компоненты и технологии. 2004. №3. - С. 204-206.

4. Жилин Н.С. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике. - Томск: Радио и связь, 1989. - 384 с.

5. Ридико Л. DDS: Прямой синтез частоты // Компоненты и технологии. 2001. №8.-С.50-56.

6. А.с. СССР №1019361 МКИ G01R 25/04. Устройство для регулировки амплитуды и фазы переменного напряжения в компенсационных измерителях напряжения / Жилин Н.С. Заявлено 16.05.1978 (№2618527/18-25); опубл. 23.05.1983. Бюл. №19.

7. Пат. РФ №2689432 МПК H03L 7/00. Функциональный преобразователь с регулировкой амплитуды и фазы выходного колебания / Холопов СИ. Заявлено 07.05.2018 (№2018116919); опубл. 28.05.2019.

8. Холопов С.И. Расширение полосы захвата релейной астатической системы фазовой синхронизации // Вестник РГРТУ. - Рязань, 2013. №3 (выпуск45). - С. 49-53.

9. Холопов С.И. Математическая модель когерентного умножителя частоты // Вестник РГРТА. - Рязань, 1998. Вып.4. - С.26-29.

10. Холопов С.И. Исследование способа увеличения полосы захвата релейной системы фазовой синхронизации // Вестник РГРТУ. - Рязань, 2016. №3 (выпуск 57). - С. 9-14.

Генератор сигналов произвольной формы (ГСПФ) относится к технике синтеза колебаний и может быть использован в измерительной технике. Технический результат – упрощение ГСПФ за счет уменьшения сложности реализации его блоков, позволяющих обеспечивать раздельную независимую регулировку частоты, амплитуды и фазы гармонического колебания. Такой результат достигается за счет замены в генераторе сигналов систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) кольцами ФАПЧ, каждое из которых содержит логический фазовый дискриминатор (ЛФД), формирователь двуполярных нелинейных управляющих напряжений, интегратор и пропорциональное звено, сумматор напряжений, подстраиваемый генератор, выходная частота которого имеет коэффициент кратности частоте опорного колебания, равный номеру кольца ФАПЧ, усилитель напряжения с элементом регулировки, позволяющий изменять коэффициент передачи усилителя напряжения, компаратор напряжения, преобразующий двуполярное колебание в однополярное импульсное колебание с уровнями цифровой логики, при этом выход компаратора подключен к входу линии задержки с элементом регулировки, позволяющим регулировать значение фазового сдвига импульсного напряжения на выходе линии задержки относительно импульсного напряжения на ее входе, а выход линии задержки подключен к второму входу логического фазового дискриминатора. 8 ил.

Генератор сигналов произвольной формы, содержащий генератор опорной частоты и N-входовой сумматор напряжения, выход которого является выходом генератора сигналов произвольной формы, отличающийся тем, что введены N колец (систем) фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), имеющих одинаковую структуру, входы которых соединены с выходом генератора опорной частоты, а выход каждого кольца ФАПЧ раздельно подключен к отдельному входу N-входового сумматора напряжения, каждое кольцо ФАПЧ содержит логический фазовый дискриминатор (ЛФД), первый вход которого подключен к входу кольца ФАПЧ, а выходы ЛФД соединены с входами формирователя двуполярных нелинейных управляющих напряжений, выход которого подключен к входам интегратора и пропорционального звена, выходы которых соединены с входами сумматора напряжений, выход сумматора напряжений подключен к управляющему входу подстраиваемого генератора гармонического колебания, выходная частота которого имеет коэффициент кратности частоте опорного колебания, равный номеру кольца ФАПЧ, выход подстраиваемого генератора соединен с входом усилителя напряжения, имеющего элемент регулировки, позволяющий изменять коэффициент передачи усилителя напряжения, выход усилителя напряжения, являющийся выходом кольца ФАПЧ, подключен к компаратору напряжения с нулевым порогом сравнения, преобразующему двуполярное колебание, существующее на выходе усилителя напряжения, в однополярное импульсное колебание с уровнями цифровой логики, выход компаратора подключен к входу линии задержки с элементом регулировки, позволяющим регулировать значение задержки (фазового сдвига) импульсного напряжения на выходе линии задержки относительно импульсного напряжения на ее входе, выход линии задержки подключен к второму входу логического фазового дискриминатора.