Формирователь сигналов специальной формы Советский патент 1993 года по МПК H03K4/04 

Изобретение относится к области автоматики, аналоговой и аналого-цифровой бы- числител ьной технике и может быть испол ьзовано в радиоэлектронике, связи, акустике, информационно-измерительной технике. Важность решаемой задачи заключается в возможности создания на основе формирователей сигналов функциональных генераторов расширенного частотного диапазона с параметрами сигналов повышенной точности.

Цель изобретения - повышение точности амплитудно-временных параметров сигнала и расширение частотного диапазона (в область низких частот) при независимом управлении параметрами, стабилизация уровня вершины импульса.

Таким образом, наличие существенных признаков, отличительных от прототипа,, свидетельствуете новизне технического решения.

00

ю

Os 00

Известно преобразование числа импульсов в код с последующим формированием аналогового сигнала и использованием его в качестве сигнала обратной связи с помощью последовательного соединения генератора, ключей, реверсивного счетчика, цифроана- логового преобразователя, а также использование выходного напряжения или его части для уменьшения погрешности преобразования.

Однако введение дополнительных элементов управления, ключей, связей между ними, алгоритмы работы обеспечивают достоинства предлагаемого формирователя сигналов специальной формы по сравнению с известными и позволяет управлять с повышенной точностью его амплитудно-временными параметрами и расширить частотный диапазон (в область низких частот), стабилизировать уровень вершины импульса при незначительных аппаратурных затратах, следовательно, предложенное техническое решение обладает новой совокупностью признаков и соответствует критерию существенные отличия,

В предлагаемом формирователе, как и в прототипе, формирование фронта и среза сигнала происходит путем перезаряда интегратора от источников положительного и отрицательного тока между двумя уровнями напряжения при заданной длительности сигнала. Однако нетрудно заметить, что в прототипе после сформирования фронта и среза длительность сигнала Ти изменяется - фронт уменьшает длительность, а срез увеличивает ее по сравнению с первоначальной длительностью Ти импульса, поступающего на вход формирователя (фиг. 2).

В предлагаемом устройстве с помощью Логического блока, определяющего алгоритм работы устройства, генератора опорной частоты, ключей подсчитывается число импульсов на суммирующем и вычитающем входах реверсивного счетчика, пропорциональное длительности фронта и среза. Полученная разность в виде кода регистра преобразуется цифроаналоговым преобразователем в напряжение, которое через фильтр поступает в сумматор в виде корректирующего воздействия. Напряжение коррекции суммируется с напряжением управления и перестраивает формирователь длительности, исключая погрешность, вносимую изменением фронта и среза.

В результате длительность сигнала Ти, измеренная на уровне 0,5Е, приближается к первоначально заданной, а точность цепей преобразования гарантирует незначительные погрешности коррекции длительности сигнала, что свидетельствует о достижении

положительного эффекта при помрщи отличительных признаков,

При формировании амплитуды сигнала, ввиду того, что сопротивление интегратора

и ключей не бесконечно, наблюдается погрешность амплитуды в виде скола вершины (фиг. 3). Это особенно заметно при .формировании сигналов большой длительности и низкой частоты. .

0 8 предлагаемом устройстве погрешность амплитуды сигнала компенсируется цепочкой обратной связи, состоящей из повторителя напряжения, схемы смещения уровня, инвертора и ключа и связывающей

5 выход устройства с входом интегратора.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого формирователя сигналов специальной формы (ФССФ); на фиг. 2-4 - временные режимы работы.

0 ФССФ (фиг. 1) содержит последовательно соединенные токовый переключа - тель 1, к первому и второму входам которого подключены соответственно источники положительного 2 и отрицательного 3 тока и

5 интегратора 4, выход которого связан с первыми входами первого 5 и второго б ограничителей уровня, причем второй вход второго ограничителя уровня 6 подключен к шине опорного напряжения EoJ, а также бслок

0 управления амплитудой ВГпереый и второй выходы которого соединены с управляющими входами источников соответственно положительного 2 и отрицательного 3 тока, а третий выход соединен с вторым входом

5 первого ограничителя уровня 5. .

К выходу интегратора 4 подключен повторитель напряжения 9, выход 10 которого является выходом устройства, и через последовательно соединенные блок смеще0 ния уровня 11, инвертор 12 и ключ 13 связан с входом интегратора 4. Управляющий вход блока смещения уровня 11 соединен с третьим входом блока управления амплитудой 8.

5 Схема коррекции длительности сигнала включает в себя, кроме логического блока 14, генератор олорнбй частоты 15, выход которого подключен через второй ключ 16 к суммирующему и через первый ключ 17 - к

0 вычитающему входам реверсивного счета 18, связанного через регистр 19, цифроана- логовый преобразователь 20, фильтр 21 и сумматор 22 с управляющим входом формирователя длительности 23 (преобразователь

5 напряжение-время), причем на второй вход сумматора 22 подключена шина управляющего напряжения 24.

Логический блок 14, обеспечивающий алгоритм работы уртройства, связан первым входом с управляющим входом четвертого ключа 13 и выходом первого ограничителя уровня 5, вторым входом - с выходом второго ограничителя уровня 6, третьим входом - с первым (потенциальным) выходом формирователя длительности 23, а первым выходом - с управляющими входами первого ключа и регистра 19, вторым выходом - с управляющими входами второго ключа 16 и реверсивного счетчика 18, третьим выходом - с управляющим входом третьего ключа 25, вход которого соединен с первым (токовым) выходом формирователя длительности 23 и управляющим входом токового переключателя 1, а выход ключа 25 подключен к общей шине 26.

Рассмотрим примеры реализации элементов структуры предлагаемого устройства. Например, источники тока 2, 3, повторитель напряжения 9, блок смещения уровня 11, инвертор 12, фильтр 21, сумматор 22 могут быть выполнены на микросхеме 140УД7, интегратор 4 - на микросхеме 544УД1 с использованием конденсатора К 71-7, ограничители уровня 5 и 6 - на микросхеме 597СА2, ключи 13, 16, 17 и 25 - на микросхеме 59QKH6, 7, 13, цифроаналого- вый преобразователь 20 - на микросхеме 594ПА1, реверсивный счетчик 18, логический блок 14, регистр 20 - на микросхемах серии 1523 (ИЕ7.РЕЗ, ЛАЗ, ЛИ1.ТМ2). Блок управления амплитудой 8 представляет собой резистивный делитель напряжения при ручном управлении или цифроанйлоговый преобразователь (594ПА1). Токовый переключатель 1 может быть выполнен по мостовой схеме на диодах, транзисторах и т.д. Он содержит один управляющий и два информационных входа (+1; -1) и выход. Формирователь длительности 23 известен из литературы, в общем случае он представляет собой преобразователь амплитуда-время.

Работа ФССФ происходит следующим образом.

С токового выхода формирователя длительности 23 сигнал заданной длительности поступает на управляющий вход токового переключателя 1, а с потенциального - на вход логического блока 14.

В соответствии с временной диаграммой (фиг. 4) и таблицей состояний логического блока 14 (см. таблицу) блок 14 и ключ 25 при включении устройства устанавливаются в положение, соответствующее временному промежутку Т0, т.е. до формирования первого импульса,

В момент времени Ti (фиг. 4) токовый переключатель 1 подключает источник отрицательного тока 3 к токовому выходу формирователя длительности 23, а источник

положительного тока 2 - к входу интегратора 4, и на емкости интегратора 4 начинает формироваться фронт сигнала с крутизной, определяемой значениями тока источника 5 положительного тока 2 и емкостью конденсатора интегратора 4.

При достижении фронтом Та заданного уровня; определяемого уровнем напряжения, установленным на втором входе перво0 го ограничителя уровня 5 с помощью блока управления амплитудой 8, ограничитель 5 срабатывает (Г на выходе) и логический блок 14 посредством ключа 25 подключает управляющий вход токового переключателя

5 1 к общей шине. При этом источники положительного 2 и отрицательного тока 3 отключены от входа интегратора 4. По истечении установленной длительности Тз логическим блоком 14 размыкается ключ 25

0 и токовый переключатель 1 подключает источник положительного тока 2 к токовому выходу формирователя длительности 23, а источник отрицательного тока 3 - к входу интегратора 4, и на емкости интегратора 4

5 начинает формироваться срез сигнала с крутизной, определяемой значениями тока источника отрицательного тока 3 и емкостью конденсатора интегратора 4.

При достижении срезом Тз заданного

0 уровня, определяемого уровнем напряжения, установленным на втором входе второго ограничителя уровня 6, ограничитель срабатывает (1 на выходе) и логический блок 14 посредством ключа 25 подключает

5 управляющий вход токового переключателя. 1 к общей шине. При этом источники положительного 2 и отрицательного тока 3 отключены от входа интегратора 4. На этом Т4 процесс формирования формы сигнала за0 канчивается.

Длительность сформированного сигнала Ти отличается от первоначальной Ти (фиг. 2). В общем случае длительность сформированного сигнала, измеренная на уровне

5 0,5Е, может быть выражена следующей зависимостью:

Ти Ти-Тф/2+Тс/2,

О)

где Ти -длительность сформированного сигнала;

Тф - длительность фронта; Тс - длительность среза; Ти - заданная длительность. Таким образом, чтобы сохранить неизменной/длительность сигнала в процессе формирования фронта и среза, необходимо ввести поправку

ОТф/2 - Тс/2

(2)

В предлагаемом устройстве это реализуется с помощью узла 14-25, Рассмотрим работу этой части устройства.

Из фиг. 1...4 следует, что на время формирования фронта сигнала (от Ti до Tz) открывается ключ 16 и на суммирующий вход реверсивного счетчика 18 от генератора 15 пройдет число импульсов Mi, пропорциональное длительности фронта, т.е.

М1 Тф/2Т0,

(3)

где 2Т0 - период опорного генератора;

Mi - число импульсов;

Тф - длительность фронта. Аналогично, на время формирования среза сигнала (от Тз до ТА) открывается ключ 17 и на вычитающий вход реверсивного счетчика 18 от генератора 15 пройдет число импульсов, пропорциональное длительности среза, т.е,

М2-ТС/2ТО,

где Тс - длительность среза. Реверсивный счетчик 18 вырабатывает кодовую поправку в соответствии с выражени - ями (2), (3), (4).

ОТф/2-Тс/2КМ1 М2)То/2

и с помощью регистра 19, цифроаналогово- го преобразователя 20, фильтра 21 и сумматора 22 преобразуется в напряжение UK, осуществляющее коррекцию длительности сигнала, воздействуя на управляющий вход формирователя длительности 23.

Сигналы синхронизации являются внутренними для блока 23, в общем случае это автоколебательный мультивибратор с управляемой длительностью импульса в соответствии с зависимостью

(Uynp ± UK),

(6)

где Uynp - напряжение управления (24);

UK - напряжение коррекции блока 21;

К - коэффициент пропорциональности. Далее процесс формирования сигнала повторяется, но вновь сформированный сигнал будет иметь необходимые временные параметры (длительность Ти, фронт Тф, срез Тс). При этом в момент Ti по управляющему входу реверсивный счетчик 18 устанавливается в исходное состояние. Выдача кодовой поправки с регистра 19 осуществляется в момент времени Т4 управляющим синхроимпульсом.

На время формирования фронта и среза сигнала ключ 25 закрыт. В остальное время,

когда уровень напряжения на интеграторе 4 не изменяется (основание и вершина сигна- ла), ключ 25 открыт, т.е. управляющий вход переключателя тока 1 подключен к общей

5 шине и на вход интегратора 4 ток от источника 2 и 3 не поступает.

Источник тока в формирователе 23 является биполярным, работающим в ключевом режиме, ответвляющим на себя токи источ10 никое 2 или 3 с помощью переключателя 1, отключая их от интегратора 4 поочередно при формировании фронта и среза соответственно. При замыкании ключа 25, что соответствует нулевому потенциалу на выходе

15 источника 23, через него с помощью переключателя 1 ответвляются токи источников 2 и 3, отключая их от интегратора 4,

При формировании сигналов в области низких частот (при увеличении длительно20 сти сигнала Ти) возникает погрешность амплитуды сигнала, формируемого на интеграторе 4, обусловленная неидеально- стыо параметров элементов схемы (обратными токами переключателя 1, токами

25 утечки конденсатора интегратора 4, напряжениями смещения повторителя 9, ограничителей уровня 5, 6 и т.д.), т.е. возникает скол вершины сигнала (фиг. Зв).

В предлагаемом устройстве компенса.30 ция погрешности амплитуды сигнала проиллюстрирована амплитудно-временными диаграммами (фиг, 3) и происходит следующим образом. В момент времени Т2, когда амплитуда сигнала достигла установленно35 го значения Е, ограничитель уровня 5 подключает к входу интегратора 4 цепочку обратной связи, состоящую из блока смещения уровня 11, инвертора 12 и ключа 13. Происходит отслеживание амплитуды вы40 ходного сигнала по цепи обратной связи и компенсируется погрешность амплитуды. независимо от причин возникновения этой погрешности.

Таким образом амплитуда выходного

45 сигнала остается неизменной, равной Е (фиг. Зе),

Достоинством предлагаемого формирователя сигналов специальной формы по сравнению с известными устройствами яв50 ляется раздельное независимое управление с повышенной точностью его амплитудно- временными параметрами и расширение частотного диапазона (в область низких частот), стабилизация уровня вершины им.55 пульса при незначительных аппаратурных затратах.

Ф о р м у л а и з о б р.е т е н и я 1. Формирователь сигналов специальной формы, содержащий последовательно соединенные токовый переключатель, к

первому и второму входам которого подключены соответственно источники положительного и отрицательного тока, и интегратор, выход которого связан с первыми входами первого и второго ограничителей уровня, причем второй вход второго ограничителя уровня подключен к шине опорного напряжения, а также блок управления амплитудой, первый и второй выходы которого соединены с управляющими вхо- дами соответственно источников положительного и отрицательного тока, в третий выход соединен с вторым входом первого ограничителя уровня, отличающийся тем, что, с целью повышения точности амп- литудно-временных параметров сигнала и расширения частотного диапазона при независимом управлении параметрами сигнала, в него введены первый, второй и третий ключи, повторитель напряжения, логиче- ский блок, генератор опорной частоты, реверсивный счетчик импульсов, регистр, цифроаналоговый преобразователь, фильтр, сумматор и формирователь длительности сигнала, причем выход интегра- тора через повторитель напряжения соединен с выходной шиной, первый вход логического блока соединен с выходом первого ограничителя уровня, второй вход логического блока - с выходом второго ограничителя уровня, третий вход - с пер- вьгм выходом формирователя длительности,

первый выход логического блока связан с управляющими входами первого ключа и регистра, второй выход - с управляющими вхо- дами второго ключа и реверсивного счетчика импульсов, третий выход - с управляющим входом третьего ключа, вход которого соединен с вторым выходом формирователя длительности и управляющим входом токового переключателя, а выход подключен к общей шине, при этом выход генератора опорной частоты подключен через второй ключ к суммирующему и через первый ключ к вычитающему входам реверсивного счетчика импульсов, выход которого через последовательно соединенные регистр, цифроаналоговый преобразователь, фильтр и сумматор подключен к управляющему входу формирователя длительности сигнала, а второй вход сумматора соединен с шиной управляющего напряжения,

2. Формирователь по п,1, от л и ч а ю-. щ и и с я тем, что, с целью стабилизации уровня вершины импульса, в него введены последовательно соединенные блок смещения уровня, инвертор и четвертый ключ, выход которого соединен с входом интегратора, управляющий вход-с выходом первого ограничителя уровня, второй вход которого соединен с управляющим входом блока смещения уровня, вход которого соединен с выходом повторителя напряжения.

Изобретение относитЬя к импульсной технике и может быть использовано в функциональных генераторах. Цель изобретения повышение точности амплитудно-временных параметров сигнала и расширение частотного диапазона при независимом управлении параметрами сигнала, а также стабилизация .уровня вершины импульса. Для достижения цели в устройство, содержащее токовый переключатель, источники тока, интегратор, ограничители уровня/ шину опорного напряжения, блок управления амплитудой, введены повторитель напряжения, ключи, логический блок, генератор опорной частоты, реверсивный счетчик импульсов, регистр, цифроанало- говый преобразователь, фильтр, сумматор и формирователь длительности сигнала, а также блок смещения уровня, инвертор и ключ. Устройство формирует импульсы трапецеидальной формы. Длительность фронта и среза преобразуется с помощью логического блока, генератора и ключей в пачки импульсов на входах реверсивного счетчика. Полученная разность длительностей фронта и среза фиксируется в регистре и воздействует на формирователь. В результате при регулировке амплитуды импульса поддерживается постоянной длительность выходных импульсов по уровню 0,5. 1 з.п. ф-лы, 4 йл„ 1 табл.

Таблица состояний входов и выходов логического блока 14

ФД - формирователь длительности

ОУ1 - первый ограничитель (высокого) уровня.

ОУ2 - второй, ограничитель (низкого) уровня.

SW2 - ключ суммирующего входа счетчика.

SW1 - ключ вычитающего входа счетчика.

SW3 - ключ токового переключателя.

t - открытое состояние ключа.

О - закрытое сотояние ключа.

В скобках указан номер элемента на фиг. 1, Г5

Ъ

о

3-ьакрыт

: .. .фиг. 4

Составитель А.Смирнов. . Редактор А. Егорова Техред М. Моргентал Корректор О. Густи

Заказ 1579Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

&xofa&Ј Ct/гь-м

э о/з/ъ ts/o&etf/KetfJ

C0C/7 0Јfrt/e /77пКОйО$О

пёрекяюцй теля О - о/якршя

3-ьакрыт