АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ УСИЛИТЕЛЬ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2025 года по МПК H03F3/00 

Изобретение относится к области радиотехники и позволяет создавать устройства, предназначенные для усиления и распределения синусоидальных сигналов с относительно стабильной амплитудой, частота которых выполняет функции эталонного параметра.

Общеизвестный принцип усиления сигналов, получивший в современной радиотехнике наибольшее распространение, заключается в непосредственном преобразовании энергии источника питания постоянного тока в энергию выходного сигнала по закону усиливаемого сигнала, с целью увеличения мощности сигнала, и предусматривает при этом подачу на вход усилительного устройства усиливаемого сигнала со снятием усиленного сигнала с выхода устройства. Указанный принцип реализуют при помощи усилительного устройства, выбранного в качестве прототипа, состоящем из последовательно соединенных усилительных блоков (каскадов), как правило, содержащих входной и выходной усилительные блоки и построенных на нелинейных активных элементах, выполняющих, с физической точки зрения, роль преобразователей энергии, см., например [Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. - М.: Радио и связь, 1983, стр. 4, 8, рис. 1.7]. Входное воздействие в таких устройствах последовательно передается от каскаду к каскаду, увеличиваясь по мощности и сохраняя свою форму (в пределах обусловленных допустимыми искажениями). Существенным недостатком такого подхода, как и устройств, его осуществляющих, является строгая зависимость мгновенных значений выходного сигнала от входного: при изменении уровня входного сигнала также изменяется и уровень выходного сигнала, кроме того эпизодическое обогащение шумами входного сигнала в большинстве случаев приводит к появлению шумов на выходе. Разумеется, с другой точки зрения, указанная зависимость может рассматриваться и как достоинство, которым является высокая точность повторения входного сигнала. Однако в ряде весьма важных случаев нет необходимости повторять каждое мгновенное значение входного воздействия, например, при усилении сигналов детерминированной формы, в частности, синусоидальных колебаний, в которых информативным параметром является частота. В таких ситуациях необходимым требованием является повторение частоты колебаний при заданном уровне выходного сигнала.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, состоит в повышении эффективности процесса усиления синусоидальных сигналов, главным образом, за счет сохранения относительно постоянной амплитуды выходного сигнала при колебаниях амплитуды входного сигнала.

Технический результат достигается тем, что аналого-цифровой усилитель синусоидальных сигналов (вариант 1), согласно изобретению, содержит умножитель частоты, формирователь импульсов, счетчик, постоянное запоминающее устройство, содержащее отсчеты синусоидального сигнала, цифроаналоговый преобразователь и фильтр нижних частот, выход которого является выходом усилителя, входом которого служит вход умножителя частоты, выход которого соединен со входом формирователя импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика, выход которого соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства, информационный выход которого соединен с информационным входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со входом фильтра нижних частот.

Технический результат достигается тем, что аналого-цифровой усилитель синусоидальных сигналов (вариант 2), согласно изобретению, содержит умножитель частоты, формирователь импульсов, формирователь импульсов сброса, счетчик, постоянное запоминающее устройство, содержащее отсчеты синусоидального сигнала, цифроаналоговый преобразователь и фильтр нижних частот, выход которого является выходом усилителя, входом которого служит вход умножителя частоты, выход которого соединен со входом формирователя импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика, выход которого соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства, информационный выход которого соединен с информационным входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со входом фильтра нижних частот, обнуляющий вход счетчика соединен с выходом формирователя импульсов сброса, вход которого объединен со входом умножителя частоты.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг. 1 представлена функциональная схема первого варианта усилителя, а на фиг. 2 приведены временные диаграммы иллюстрирующие изобретение на примере работы умножителя с коэффициентом равным 8. На фиг. 3 представлена функциональная схема второго варианта усилителя. На фиг. 4 представлена одна из возможных схем осуществления формирователя импульсов сброса.

Функциональная схема по фиг. 1 содержит умножитель 1 частоты, формирователь 2 импульсов, счетчик 3, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 4, содержащее отсчеты синусоидального сигнала, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 5 и фильтр нижних частот (ФНЧ) 6, выход которого является выходом усилителя, входом которого служит вход умножителя 1 частоты, выход которого соединен со входом формирователя 2 импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика 3, выход которого соединен с адресным входом ПЗУ 4, информационный выход которого соединен с информационным входом ЦАП 5, выход которого соединен со входом ФНЧ 6. Вход обнуления счетчика 3 является входом RST коррекции фазы выходного сигнала усилителя.

Временные диаграммы по фиг. 2 содержат входной синусоидальный сигнал с периодом T=1/ƒ (ƒ- частота входного сигнала) (фиг. 2, а), сигнал на выходе умножителя 1(7) частоты с периодом T=1/8ƒ (фиг. 2, б), импульсы С на счетном входе счетчика 3 (10) и RST на его обнуляющем входе (фиг. 2, в), текущий код на выходе счетчика 3 (10) (фиг. 2, г) и выходной сигнал на выходе ФНЧ 6 (13), в виде результата преобразования цифровых отсчетов в аналоговую форму.

Функциональная схема по фиг. 3 содержит умножитель 7 частоты, формирователь 8 импульсов, формирователь 9 импульсов сброса, счетчик 10, ПЗУ 11, содержащее отсчеты синусоидального сигнала, ЦАП 12 и ФНЧ 13, выход которого является выходом усилителя, входом которого служит вход умножителя 7 частоты, выход которого соединен со входом формирователя 8 импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика 10, выход которого соединен с адресным входом ПЗУ 11, информационный выход которого соединен с информационным входом ЦАП 12, выход которого соединен со входом ФНЧ 13, обнуляющий вход счетчика соединен с выходом формирователя 9 импульсов сброса, вход которого объединен со входом умножителя 7 частоты. Управляющий вход формирователя 9 является входом коррекции фазы выходного сигнала усилителя.

Функциональная схема по фиг. 4 содержит формирователь 14 импульсов, D-триггер 15 и дискриминатор 16 передних фронтов, выход которого является выходом формирователя импульсов сброса, входом которого является вход формирователя 14 импульсов, выход которого соединен с тактовым входом D-триггера 15, обнуляющий вход которого является управляющим входом формирователя, служащим для коррекции фазы выходного сигнала.

Принцип действия усилителя (см. фиг. 1) предусматривает извлечение, при поступлении входного сигнала, из памяти ПЗУ 4 цифровых отсчетов синусоидального сигнала и преобразование их в аналоговый сигнал при помощи ЦАП 5. Выходным сигналом усилителя является хранящаяся в его памяти и преобразованная в аналоговую форму цифровая копия, которая считывается из ПЗУ 4 со строго определенной частотой дискретизации ƒ_Д, зависящей как от частоты входного сигнала ƒ, так и от количества отсчетов n, представляющих один период синусоиды: ƒ_Д-nƒ. Для получения частоты ƒ_Д служит умножитель 1 с фиксированным коэффициентом умножения равным n. Входной сигнал, подлежащий усилению (см. фиг. 2, а), поступает непосредственно на вход умножителя 1, с выхода которого снимается сигнал с увеличенной в n раз частотой (см. фиг. 2, б), которая, в свою очередь, задает частоту прямоугольных импульсов, полученных в формирователе 2 (см. фиг. 2, в) и следующих на счетный вход счетчика 3. Указанный счетчик выполняет функции адресного для ПЗУ 4 и имеет коэффициент пересчета равный n, т.е. он имеет количество состояний равное количеству отсчетов хранящихся в ПЗУ 4. Пример циклического перебора адресов для n = 8 показан на диаграмме по фиг. 2, г. Извлекаемые цифровые отсчеты синусоиды, ранее записанные в ПЗУ 4, поступают на вход ЦАП 5, в котором преобразуются в аналоговую форму и после удаления в ФНЧ 6 высокочастотных (шумовых) составляющих поступают на выход усилителя (см. фиг. 2, д). Из описанного несложно видеть, что в рассматриваемом устройстве нет прямой связи амплитуды выходного сигнала с амплитудой входного, а усиление, при фиксированном уровне на входе, определяется с одной стороны значением цифровых отсчетов и уровнем опорного напряжения U_REF ЦАП 5, а с другой стороны параметрами выходной аналоговой части, сопрягаемой с ЦАП (коэффициентом усиления внешних преобразующих цепей, построенных, как правило, на основе операционных усилителей, и характеристикой ФНЧ).

Учитывая, что начальная фаза выходного синусоидального сигнала зависит от момента задания нулевого адреса ПЗУ 4 (см. фиг. 2, г, д), появляется возможность коррекции фазы выходного сигнала путем сброса счетчика 3 в нулевое состояние в требуемый момент времени. На диаграмме по фиг. 2, в показан случай принудительного обнуления счетчика 3 (первый импульс RST) с началом формирования входного сигнала, что приводит к минимально возможному в конкретных условиях фазовому сдвигу Δϕ выходного сигнала относительно входного. Отметим, что для увеличения фазового сдвига в схеме по фиг. 1 можно принудительно удерживать счетчик 3 в обнуленном состоянии как показано в правой части диаграмм по фиг. 2, в, г, д. В настоящем примере создан сдвиг Δϕ около 180°. Однако в общем случае, для упрощения устройства, и в тех случаях, когда это не принципиально, обнулением адресного счетчика можно не управлять, оставляя его в циклическом режиме работы с периодическим обнулением в соответствии с заданным коэффициентом пересчета (см. фиг. 2, г). Если же в соответствии с эксплуатационными требованиями необходимо контролировать фазовый сдвиг Δϕ, то устройство целесообразно дополнить формирователем импульсов сброса как показано во втором варианте исполнения усилителя (см. фиг. 3). Здесь все блоки, показанные на схеме, кроме формирователя 9, выполняют те же функции, что и в схеме по фиг. 1. Что же касается формирователя 9, то на него возложена задача синхронизации импульса обнуления адресного счетчика 10 с началом формирования положительной полуволны синусоиды на входе усилителя. Пример осуществления такого формирователя-синхронизатора представлен на фиг. 4. Положительная полуволна входного сигнала преобразуется в формирователе 14 в прямоугольный импульс, передний фронт которого совпадает с ее началом, в связи с чем D-триггер 15 переходит в устойчивое состояние высокого логического уровня на выходе, в ответ на что дискриминатор 16 передних фронтов выдает короткий импульс обнуления, поступающий на соответствующий вход счетчика 10. Для периодической ручной коррекции фазового сдвига Δϕ можно принудительно переводить D-триггер 15 в исходное состояние подачей на его обнуляющий вход импульса сброса (в данном случае импульса коррекции).

Немаловажной составляющей усилителей (см. фиг. 1. 3) является формирователь 2 (8), служащий для преобразования синусоидальных сигналов в последовательность импульсов, которые выполняют роль счетных. В простейшем случае его функции может выполнять аналоговый компаратор, что является весьма распространенным в радиотехнике применением быстродействующих компараторов. Однако в ситуациях, когда входной сигнал имеет относительно низкий уровень на фоне шумов или малую скорость нарастания, такое простейшее решение может привести к сбою в работе усилителя из-за появления «ложных» импульсов на выходе формирователя. Методы борьбы с подобными явлениями известны и, как правило, основаны на введении петли гистерезиса в характеристику преобразователя. В качестве примера можно привести устройства, описанные в [Пат. RU 2601829. Опубл. 10.11.2016, бюл. № 31; Пат. RU 2607934. Опубл. 10.01.2017, бюл. № 2].

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для усиления и распределения синусоидальных сигналов с относительно стабильной амплитудой, частота которых выполняет функции эталонного параметра. Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, состоит в повышении эффективности процесса усиления синусоидальных сигналов за счет сохранения относительно постоянной амплитуды выходного сигнала при колебаниях амплитуды входного сигнала. Для этого особенностью усилителя является извлечение при появлении входного сигнала из внутренней памяти усилителя отсчетов синусоидального сигнала и преобразование их в аналоговый вид для подачи на выход устройства. При этом основными функциональными частями усилителя являются умножитель частоты входного сигнала, формирователь импульсов, адресный счетчик, постоянное запоминающее устройство, содержащее отсчеты синусоидального сигнала, цифроаналоговый преобразователь и фильтр нижних частот. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Аналого-цифровой усилитель синусоидальных сигналов, отличающийся тем, что он содержит умножитель частоты, формирователь импульсов, счетчик, постоянное запоминающее устройство, содержащее отсчеты синусоидального сигнала, цифроаналоговый преобразователь и фильтр нижних частот, выход которого является выходом усилителя, входом которого служит вход умножителя частоты, выход которого соединен со входом формирователя импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика, выход которого соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства, информационный выход которого соединен с информационным входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со входом фильтра нижних частот.

2. Аналого-цифровой усилитель синусоидальных сигналов по п. 1, отличающийся тем, что формирователь импульсов выполнен в виде устройства с гистерезисной характеристикой.

3. Аналого-цифровой усилитель синусоидальных сигналов по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент пересчета счетчика задают равным коэффициенту умножения умножителя частоты.

4. Аналого-цифровой усилитель синусоидальных сигналов по п. 1, отличающийся тем, что счетчик выполнен таким образом, что его обнуляющий вход служит входом коррекции фазы выходного сигнала усилителя.

5. Аналого-цифровой усилитель синусоидальных сигналов, отличающийся тем, что он содержит умножитель частоты, формирователь импульсов, формирователь импульсов сброса, счетчик, постоянное запоминающее устройство, содержащее отсчеты синусоидального сигнала, цифроаналоговый преобразователь и фильтр нижних частот, выход которого является выходом усилителя, входом которого служит вход умножителя частоты, выход которого соединен со входом формирователя импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика, выход которого соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства, информационный выход которого соединен с информационным входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со входом фильтра нижних частот, обнуляющий вход счетчика соединен с выходом формирователя импульсов сброса, вход которого объединен со входом умножителя частоты.

6. Аналого-цифровой усилитель синусоидальных сигналов по п. 5, отличающийся тем, что формирователь импульсов выполнен в виде устройства с гистерезисной характеристикой.

7. Аналого-цифровой усилитель синусоидальных сигналов по п. 5, отличающийся тем, что коэффициент пересчета счетчика задают равным коэффициенту умножения умножителя частоты.

8. Аналого-цифровой усилитель синусоидальных сигналов по п. 5, отличающийся тем, что формирователь импульсов сброса выполнен в виде устройства, имеющего аналоговый вход, рассчитанный на работу с усиливаемыми синусоидальными сигналами, и выход с двумя логическими уровнями напряжения.