Генератор ортогональных сигналов Советский патент 1991 года по МПК H03B27/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при построении систем управления вентильных электроприводов и инверторов.

Цель изобретения - повышение стабильности амплитуды и расширение диапазона рабочих частот.

На чертеже представлена функциональная схема генератора ортогональных сигналов.

Генератор ортогональных сигналов содержит первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 операционные усилители, первый резистор 5, который включен между инвертирующим входом и выходом первого операционного усилителя 1, второй резистор 6, который включен между инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя 2, первый 7 и второй 8 конденсаторы, первые выводы которых подключены к выходам соответственно третьего 3 и четвертого 4 операционных усилителей, третий 9 и четвертый 10 резисторы, первые выводы которых объединены, а вторые выводы подключены соответственно к инвертирующему входу первого операционного уси- лителя 1 и второму выводу первого конденсатора 7, пятый 11 и шестой 12 резисторы, первые выводы которых подключены к выходу первого операционного усилителя 1, а вторые выводы подключены соответственно к инвертирующему входу второго операционного усилителя 2 и второму выводу второго конденсатора 8. седьмой 13 и восьмой 14 резисторы.

Неинвертирующие входы третьего 3 и четвертого 4 операционных усилителей подключены к общей шине.

Генератор ортогональных сигналов включает первый 15 и второй 16 аналоговые перемножители, первые входы которых объединены и являются входом управления частотой, блок 17 формирования сигнала обратной связи, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого 1 и второго 2 операционных усилителей, девятый резистор 18, который

включен между выходом первого аналогового перемножителя 15 и инвертирующим входом первого операционного усилителя 1. десятый резистор 19, который включен между выходом второго аналогового перемножителя 16 и инвертирующим входом второго операционного усилителя 2. Вторые входы первого 15 и второго 16 аналоговых перемножителей подключены к выходам соответственно третьего 3 и четвертого 4 операционных усилителей. Неинвертирующие входы первого 1 и второго 2 операционных усилителей подключены к общей шине. Выход блока формирования сигнала обратной связи подключен к первым выводам третьего 9 и четвретого 10 резисторов. Седьмой резистор 13 включен между выходом первого аналогового перемножителя 15 и вторым выводом четвертого резистора 10, восьмой резистор 14 - между выходом второго аналогового перемножителя 16 и вторым выводом шестого резистора 12. Вторые выводы четвертого 10 и шестого 12 резисторов подключены к инвертирующим входам соответственно третьего 3 и

четвертого 4 операционных усилителей

Блок 17 формирования сигнала обратной связи содержит последовательно соединенные аналоговый сумматор 20. блок 21 извлечения квадратного корня аналоговый делитель 22 и аналоговый перемножитель 23, выход которого является выходом блока 17 формирования сигнала обратной связи, первый 24 и второй 25 блоки возведения в квадрат, входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока формирования сигнала обратной связи, а выходы подключены к соответствующим входам аналогового сумматора, источник 26 опорного напряжения, выход которого подключен к второму входу аналогового перемножителя 23, при этом второй вход аналогового делителя 22 подключен к входу второго блока 25 возведения в квадрат.

Генератор ортогональных сигналов работает следующим образом.

Третий операционный усилитель 3, резисторы 10 и 13, а также конденсатор 7 образуют первый двухвходовый инвертирующий интегратор, на первый вход которого поступает напряжение eoc(t) с выхода формирователя 17 сигнала обратной связи, а на второй вход - напряжение 1)ф1 с выхода первого аналогового перемножителя 15

Выходное напряжение третьего операционного усилителя 3, являющееся выходным напряжением первого двухвходового инвертирующего интегратора, описывается выражением

Ei(S) - ГКцЕос(З) + К12иф1(5)1

)-- UrJTs Е°с(5) + -я- 11Гиф1(5, , - Кц - К,2 ) Eoc(S),

40... Кф1

Г+ 5Тф1/т1Еу 1+Sryi

где

Кф1 Ry/R4; 5 T t i CiR7;

tyi Тф1/ггцЕу.

Выходное напряжение первого аналогового перемножителя 15. являющееся выходным напряжением первого 0 управляемого фильтра нижних частот, описывается выражением

иФ1(3)(Гу1 S+1)JEoc(S). Первый операционный усилитель 1, резисторы 5, 9 и 18 образуют первый инверти- 5 рующий сумматор, на первый вход которого поступает напряжение E0c(S) с выхода формирователя 17 сигнала обратной связи, а на второй вход - напряжение иф1(5) с выхода первого управляемого фильтра нижних частот.

Первый управляемый фильтр нижних частот и первый инвертирующий сумматор образуют первый управляемый фазовращатель. Выходное напряжение первого инвертирующего сумматора, являющееся выходным напряжением первого управляемого фазовращателя, описывается выражением

Ei(S) - ГКцЕос(З) + К12иф1(5)1

- Кц - К,2 ) Eoc(S),

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника электрических колебаний. Цель изобретения - повышение стабильности амплитуды выходных колебаний и расширение диапазона рабочих частот. Генератор ортогональных сигналов содержит первый, второй, третий и четвертый операционные усилители (ОУ) 1, 2, 3 и 4, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый резисторы 5, 6, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 18 и 19, первый и второй конденсаторы 7 и 8, первый и второй аналоговые перемножители (АП) 15 и 16. блок 17

где R/a, R - сопротивления четвертого и седьмого резисторов 10 и 13:

Ci - емкость первого конденсатора 7; S - комплексная переменная, Eoc(S). иф1(5)- напряжения, присутствующие на первом и втором входах первого двухвходового инвертирующего интегратора.

На сигнальный вход первого аналогового перемножителя 15 поступает напряжение Uul(S) с выхода первого двухвходового инвертирующего интегратора, а на управляющий вход - напряжение Еу с управляющего входа генератора ортогональных сигналов. Выходное напряжение первого аналогового перемножителя 15 описывается выражением

lMS)miEyUui(S),

где mi - коэффициент передачи первого аналогового перемножителя 15.

Первый двухвходовый инвертирующий интегратор и первый аналоговый перемножитель 15 образуют первый управляемый фильтр нижних частот, передаточная функция которого описывается выражением

где Kn Ri/R3, Ki2 Ri/Rg - коэффициенты передачи первого инвертирующего сумматора по первому и второму входам соответственно:

RI, Рз. Rg - сопротивления первого, третьего и девятого резисторов 5, 9 и 18 соответственно.

При Кф1 Кц 1 и Ki2 2 первый управляемый фазовращатель имеет передаточную функцию всепропускающего фильтра первого порядка

-i fкоэффициент передачи которого постоянен и равен единице, а сдвиг фазы определяется выражением

(а)) - 2arctg ((a ryi )

Передаточная функция всепропускающего фильтра первого порядка наиболее просто реализуется при условии, что величины сопротивлений резисторов 5, 9, 10 и 13 равны между собой, а сопротивление резистора 18 в два раза меньше сопротивления резистора 5.

Четвертый операционный усилитель 4, резисторы 12 и 14, а также конденсатор 8 образуют второй двухвходовый инвертирующий интегратор, на первый вход которого поступает напряжение Ei(S)с выхода первого управляемого фазовращателя, а на второй вход - напряжение (S) с выхода второго аналогового перемножителя 16.

Выходное напряжение четвертого операционного усилителя 4, являющееся выходным напряжением второго двух- входового инвертирующего интегратора, описывается выражением

) - + тш§-и 2 5

где Re, Re -сопротивления шестого и восьмого резисторов 12 и 14;

Са - емкость второго конденсатора 8.

На сигнальный вход второго аналогового перемножителя 16 поступает напряжение Uu2(S) с выхода второго двухвходового инвертирующего интегратора, а на управляющий вход - напряжение Еу с управляющего входа генератора ортогональных сигналов. Выходное напряжение второго аналогового перемножителя 16 описывается выражением

иф2(5) m2EyUu2(S),

где гп2 - коэффициент передачи второго аналогового перемножителя 16.

Второй двухвходовый инвертирующий интегратор и второй аналоговый перемножитель 16 образуют второй управляемый фильтр нижних частот, передаточная функция которого описывается выражением

)

Кф2

1 + S Гу2

где

Кф2 R8/R9,

Еф2 C2Re:

Гу2 Тф2/ГП2Еу.

Выходное напряжение второго аналогового перемножителя 16, являющееся выходным напряжением второго управляемого фильтра нижних частот, описывается выражением

иФ2(5НКф2/гу25+1)Е1(5).

Второй операционный усилитель 2, резисторы 6, 11 и 19 образуют второй инвертирующий сумматор, на первый вход которого поступает напряжение Ei(S) с выхода первого управляемого фазовращателя, а на второй вход - напряжение Кф2(5) с выхода второго управляемого фильтра нижних частот.

Второй управляемый фильтр нижних частот и второй инвертирующий сумматор образуют второй управляемый фазовращатель. Выходное напряжение второго инвертирующего сумматора, являющееся выходным напряжением второго управляемого фазовращателя, описывается выражением

EXS),E,(S)-HCnU«j(S)-- Ki1-Ka()E,(S).

где K2i Ri/Rs, K22 R2/Rio - коэффициенты передачи второго инвертирующего сумматора по первому и второму входам соответственно;

R2. Rs, Rio - сопротивления второго, пятого и десятого резисторов 6, 11 и 19 соответственно.

При Кф2 и «22 2 второй управляемый фазовращатель имеет передаточную функцию всепропускающего фильтра первого порядка

АЬГ с4 1 ГУ28 1 +ry2S

коэффициент передачи которого постоянен и равен единице, а сдвиг фазы определяется выражением

(pi (ш ) - 2arctg ( ю гу2 )

Передаточная функция всепропускающего фильтра первого порядка наиболее просто реализуется при условии, что величины сопротивлений резисторов 6. 11, 12 и 14 равны между собой, а сопротивление резистора 19 в два раза меньше сопротивления резистора 6.

С первого и второго выходных выводов генератора ортогональных сигналов напряжения ei(t) и e2(t), сдвинутые между собой на

90°, поступают на первый и второй входы формирователя 17 сигнала обратной связи. Первый 24 и второй 25 квадраторы осуществляют возведение в квадрат напряжений ei(t) и e2(t) соответственно. Выходные

напряжения Ui и U2 квадраторов 24 и 25, являющиеся входными напряжениями сумматора 20, описываются соответствующими выражениями:

(t); 1)2 n2e22 (t),

где m и П2 - коэффициенты передачи пер вого 24 и второго 25 квадраторов.

Напряжение Е на выходе сумматора 20, являющееся входным напряжением для блока 21 извлечения квадратного корня, описывается выражением Е (KiUi+K2U2),

где Ki и Ка - коэффициенты передачи сумматора 20 по первому и второму входам соответственно.

При и щ П2 п выходное напряжение сумматора 20

Е - Kn Um2sin2 r/x+Um2cos2 ал) -KnUm2.

Блок 21 для извлечения квадратного корня может быть построен по схеме, в которой в отрицательную обратную связь операционного усилителя включен квадратор. При таком включении входное напряжение Е блока 21 извлечения квадратного корня может быть только отрицательным, что обеспечивается применением инвертирующего сумматора 20.

Опорное напряжение Don, являющееся выходным напряжением блока 21 извлечения квадратного корня, описывается выражением

Uon /0(- Е ) а Kn U™ где п- коэффициент передачи блока 21 извлечения квадратного корня.

При выполнении условия а. п К 1 постоянное напряжение Uon положительной полярности в точности равно амплитудному значению Um ортогональных сигналов ei(t) и e2(t), т.е. .

На первый вход аналогового делителя 22 поступает с выхода блока 21 извлечения квадратного корня опорное напряжение Don, а на второй напряжение e2(t)UmSin (/Л.

Выходное напряжение аналогового делителя 22 описывается выражением

(t)/Uon ft UmSin f/n/Um / Sin dA,

где ft- коэффициент передачи аналогового делителя 22.

Напряжение Уз с выхода аналогового делителя 22 поступает на сигнальный вход аналогового перемножителя 23, на управляющий вход которого поступает напряжение (-Ео) с выхода источника 26 опорного напряжения.

Выходное напряжение аналогового перемножителя 23, являющееся выходным напряжением e0c(i) формирователя 17 сигнала-обратной связи, описывается выражением

e0c(t)-/ yE0slnoA,

где у - коэффициент передачи аналогового перемножителя 23.

Обычно коэффициенты передачи аналогового делителя 22 и аналогового перемножителя 23 выбираются из условия ft 10 и у 0,1, поэтому напряжение обратной связи

eoc(t)-E0sin г/л

является инвертирующим по отношению к входному сигналу формирователя 17

0

5

0

5

0

Таким образом, формирователь 17 сигнала обратной связи выполняет две основные функции: инверсию сигнала 62(0 и стабилизацию амплитуды Um генератора ортогональных сигналов.

Первый и второй управляемые фазовращатели, а также формирователь 17 сигнала обратной связи, соединенные в кольцо, образуют колебательную систему.

В режиме установившихся колебаний на частоте и в генераторе ортогональных сигналов выполняется условие баланса фаз

(шо ) (ль ) -л-(1)

или

- 2arctg (оь Tyi ) - 2arctg ( т гУ2 ) - л или

(Dp Гу1 (1)0 Гу2 Г

1 - ah гУ1 ftJo гУ2 j 2 Условие баланса фаз выполняется при

(1)о Гу1 (Ik Гу2 1 ,

откуда получают выражение для частоты автоколебаний

arctg

f/te

Г

rvi ГУ2

RaC2

ГП2

(2)

.(2)

Отсюда следует, что частота колебаний генератора прямо пропорциональна управляющему напряжению Еу.

Из выражений (1) и (2) определяют фазовый сдвиг, осуществляемый первым и вторым управляемыми фазовращателями

35

0

О) (ъ ( и) - 2arctg V fyi I ry2

2arctg V Гу2

Гу,

2srctg , maEy mi Ey R8C2

2arctg /Juki. КяС-2 1 mj§7

откуда следует, что фазовые сдвиги между выходными колебаниямя ei(t) и e2(t) не зависят от управляющего напряжения Еу, т.е. от частоты колебаний генератора, и при равенстве коэффициентов передачи первого 15 и второго 16 аналоговых перемножителей определяются только отношением постоянных времени и .

При равенстве , что легко выполняется при и . фазовые сдвиги равны и составляют

У1 ( (Do ) р2 ( Ob ) - -у ,

что свидетельствует об ортогональности сигналов ei(e) и e2(t) на первом и втором

выводах генератора и о том. что условие (1) баланса фаз выполняется в рабочем диапазоне частот, определяемом диапазоном изменения управляющего напряжения Еу.

Таким образом, изобретение обеспечивает :

возможность работы генератора в диапазоне низких (1-10 Гц) частот, что особенно важно для генераторов модулирующей функции, применяемых в системах управления асинхронных частотно-регулируемых электроприводов;

возможность электронной перестройки генератора по частоте и амплитуде;

повышенную надежность генератора, поскольку для перестройки по частоте используются электронные компоненты (аналоговые перемножители сигналов), а не потенциометры, имеющие весьма низкие показатели надежности;

незначительные нелинейные искажения выходных колебаний, поскольку в стабилизаторе амплитуды отсутствуют такие нелинейные элементы, как диоды и полевые транзисторы;

высокое быстродействие системы регулирования (стабилизации) выходных колебаний, поскольку датчик напряжения, выполненный из двух квадратов, сумматора и блока извлечения квадратного корня, позволяет получить постоянное напряжение без пульсаций, не применяя инерционных сглаживающих фильтров;

возможность выполнения генератора в интегральном исполнении в виде монолитной микросхемы.

Формула изобретения

резисторы, при этом неинвертирующие входы третьего и четертого операционных усилителей подключены к общей шине, отличающийся тем, что, с целью повышения

стабильности амплитуды и расширения диапазона рабочих частот, в него введены первый и второй аналоговые перемножители, первые входы которых объединены и являются входом управления частотой, блок

формирования сигнала обратной связи. первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго операционных усилителей, девятый резистор, который включен между выходом

первого аналогового перемножителя и инвертирующим входом первого операционного усилителя, десятый резистор, который включен между выходом второго аналогового перемножителя и инвертирующим входом второго операционного усилителя, при этом вторые входы первого и второго аналоговых перемножителей подключены к выходам соответственно, третьего и четвертого операционных усилителей, неиивертирующие входы первого и второго операционных усилителей подключены к общей шине, выход блока формирования сигнала обратной связи подключен к первым выводам третьего и четвертого резисторов, седьмой резистор включен между выходом первого аналогового перемножителя и вторым выводом четвертого резистора, восьмой резистор включен между выходом второго аналогового перемножителя и вторым выводом шестого резистора, вторые выводы четвертого и шестого резисторов подключены к инвертирующим входам соответственно третьего и четвертого операционных усилителей.

извлечения квадратного корня, аналоговый делитель и аналоговый перемножитель, выход которого является выходом блока формирования сигнала обратной связи, первый и второй блоки возведения

в квадрат, входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока формирования сигнала обратной связи, а выходы подключены к соответствующим входам аналогового сумматора, источник

опорного напряжения, выход которого подключен к второму входу аналогового перемножителя, при этом второй вход аналогового делителя подключен к входу второго блока возведения в квадрат.