МНОГОУСТОЙЧИВЫЙ ЭЛЕМЕНТ «СИНХРОСПЕКТРОТРОН» Советский патент 1967 года по МПК H03K29/00 G06F1/00 H03K3/29 

Известны многоустойчивые элементы, содержащие синхронно перестраиваемые контуры, детекторы и интегрирующие звенья.

Предложенное устройство отличается тем, что оно содержит спектротрон и автоподстраивающуюся линию задержки, включенную между синхронно перестраиваемыми контурами, причем выход спектротрона через усилитель соединен с управляющими входами синхронно перестраиваемых контуров, а управляющий вход автоподстраивающейся линии задержки подключен к выходу интегрирующего звена.

Это повыщает надежность работы устройства с повыщенным числом устойчивых состояний равновесия и обеспечивает независимость всех динамических признаков состояния от разброса параметров составляющих элементов.

На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - его принципиальная схема; на фиг. 3 - графическое представление работы устройства как многоустойчивого элемента.

Синхроспектротрон с нелинейной обратной связью содержит два синхронно перестраиваемых колебательных контура 1 и 2, разделенных линией задержки 3 с переменными параметрами (регулируемой задержкой), детектор 4 и интегрирующее звено с управителем

времени задержки 5 для линии задержки 3. Колебательные контуры непрерывно и синхронно перестраиваются за счет работы усилителя 6 управляющих колебаний, вход которого связан с выходом спектротрона 7.

Спектротрон содержит колебательный контур 8, питаемый источником напряжения с линейчатым спектром, детектор 9 с интегрирующим звеном и управитель частоты 10 настройкн колебательного контура 8, замкнутые в петлю обратной связи.

Таким образом, в рассматриваемом приборе имеется два сторонних источника напряжений с линейчатым спектром, частоты в которых от5личаются не менее, чем на порядок (или более) . Эти источники конструктивно не входят в рассматриваемый прибор, так как являются общими для совокуппости однотипных приборов (синхроспектротронов с нелинейной 0 обратной связью). Признаки состояния прибора при этом независимы.

Колебательные контуры 1 и 2 состоят из катущек индуктивности // и 12 и конденсаторов с переменной емкостью, в качестве ко5торых употребляются р-«-переходы полупроводниковых диодов 13 и 14 или вариконды. Линия задерл-ски 3 изображена на фиг. 2 блочно и представляет, нанример, перестраиваемую LC-линию с управляемыми диодами в качестве емкостей А-гли варакторами).

Детектор 4 собран на транзисторе 15, работающем в режиме с заземленным эмиттером с нулевым током базы (в рабочей точке). В цепи коллектора транзистора 15 нагрузка представлена интегрирующим звеном на сопротивлении 16 и конденсаторе 17. Триод 15 является также усилителем, так что на выходе интегрирующего звена образуется управляющее напряжение, которое воздействует на нелинейные цепи линии задержки 3, вызывая изменение времени задержки при изменении величины управляющего напряжения.

На триоде 18 собран усилитель управляющих синхронной перестройкой контуров 1 и 2 колебаний, снимаемых с выхода спектротрона. Коллекторная цепь триода 18 также содержит интегрирзющее звено из последовательно соединенных обмоток 19 управляющего трансформатора и сопротивления 20, а также емкости 21 интегрирующего звена. Триод 18 работает в режиме с фиксированным смещением, благодаря установке в эмиттере его сопротивления 22 и конденсатора 23 (блокировочного).

Вторичная обмотка 24 управляющего трансформатора состоит из двух симметричных половин, из которых образует с соответствующими конденсаторами 25 и 26 колебательный контур, настраиваемый на одну из спектральных составляющих входного напряжения, подводимого к спектротрону от внешнего источника 2(;. Таким образом, на конденсаторах 25 к 26 образуется управляющий сигнал синхронной перестройки контуров / и2.

Рабочее смещение диодам 13 и 14 задает цепь, состоящая из сопротивления 27 и блокировочного конденсатора 28, которая связывается с источником постоянного напряжения (коллекторного) через гасящее сопротивление 29.

Входной высокочастотный сигнал Sco от источника спектра подается к контуру / через paздeлитev ьный конденсатор 30. Высокочастотный выходной признак (частота coj) передается на выход устройства через разделительный конденсатор 31. Аналогичные функции для низкочастотных колебаний выполняют разделительные конденсаторы 32 и 33.

Управляющий трансформатор выполнен с применением ферритового (или какого-либо другого) магнитопровода, изменяющего величину магнитной проницаемости при изменении подмагничивающих ампер-витков, т. е. ток коллектора триода 18 управляет частотой настройки контуров, образованных вторичной обмоткой 24 и конденсаторами 25 и 26. Диапазон перестройки всех указанных контуров лежит в пределах полосы соответствующих спектров напряжений внещних источников.

Кривая 34 (см. фиг. 3) выражает собою немонотонную амплитудную характеристику обобщенного четырехполюсника гребенчатого типа. Обобщенный четырехполюсник включает пару синхронно перестраиваемых контуров /

и 2, разделенных линией задержки 3, детектор 4 с интегрирующим звеном и управитель времени задержки 5. Характеристика 34 пересекается рядом параллельных прямых так называемых прямых обратной связи. Число таких прямых обратной связи равно числу частот у источника линейчатого спектра 20„, подводимого ко входу спектротрона. Области устойчивого равновесия синхроспектротрона выражаются теми пересечениями, которые отмечены на фиг. 3 точками, что следует из общей теории построения многоустойчивых элементов.

Так как число максимумов немонотонной характеристики 34 равно числу линий спектра высокочастотного напряжения источника Sco ; то общее число возможных устойчивых положений равновесия в приборе определяется произведением числа линий спектра М источпика Scoi на число липий спектра L источника (имеются в виду используемые при работе прибора линии спектров). Устройство работает следующим образом. Пусть колебательный контур (см. фиг. 1) соединен с источником переменного напряжения, представляющего линейчатый спектр с заданным распределением по частоте гармонических составляющих, являющихся непрерывными функциями времени. Тогда в зависимости от настройки этого контура на нем выделяется какая-пибудь составляющая спектра входного сигнала, либо такое выделение (в момент времени) не происходит. Если диапазон перестройки контура / охватывает весь заданный спектр входного сигнала, то но мере перестройки контура, он последовательно настраивается в резонанс на каждую из составляющих спектра. Этот процесс последовательного выделения в контуре / спектральных компонент входного сигнала назван «разверткой спектра 2со,- . При такой развертке возпикающие в контуре / колебания с разными частотами сдвинуты друг от друга во времени. Если скорость развертки спектра постоянна, а спектр эквидистантен, то возникающие в контуре / «волновые пакеты следуют один за другим через равные промежутки времени. Иначе говоря, первый контур производит временное разделение «волновых пакетов, каждый «з которых характеризуется соответствующей линией спектра входного переменного напряжения.

Образующаяся в контуре / последовательная серия «волновых пакетов воздействует на колебательный контур 2, предварительно пройдя линию задерл ки 3. Контур 2 идентичен контуру 1 и синхронно перестраивается с последним по одному и тому же закону. Учитывая задержку во времени поступления «волновых пакетов на контур 2, в системе двух контуров, разделенных линией задержки 3 и перестраиваемых синхронно, может наступить ситуация совпадения или несовпадения настройки контура 2 в данный момент времени с частотой поступающего на вход 1контура 2

«волнового пакета. В случае оовпадения в контуре 2 выделяется сигнал (импульсно-модулированный) с частотой «волнового пакета, т. е. частотой одной из спектральных составляющих Ш; из спектра входного сигнала Б(0; . При несовпадении и достаточно высоком качестве (добротности) контуров / и 2 на выходе такой системы сигнал ие будет зафиксирован. Частота со; является первым динамически независимым признаком состояния прибора. Всего таких признаков устройство имеет М.

Совпадение настройки контура 2 на частоту поступающего на него «волнового пакета (имеется в виду периодическое совпадение) может иметь место либо при соответствующем выборе синхронной перестройки контуров / и

2при фиксированном времени задержки в линии 3, либо при подборе времени задержки в линии 3 при фиксированных значениях частоты развертки спектра (синхронной перестройки контуров). Оба способа совершенно равноправны.

В ранее предложенном устройстве - синхроспектротроне применялись линия задержки

3с постоянными параметрами и управляемый по частоте генератор синхронной перестройки контуров. При этом частоты генерируемых управляющих колебаний не являлись независимыми от разброса параметров прибора динамическими признаками, что затрудняло процесс селекции таких признаков.

В описываемом устройстве для осуществления развертки спектра 2(0/ вместо управляемого генератора использован спектротрон, питаемый от источника переменного напряжения с линейчатым спектром IQ. Поэтому признаки состояния прибора Q не зависят от разброса его параметров.

Для автоподстройки состояния в устройстве применена управляемая по времени задержки линия 3 (вместо линии с фиксированной задержкой). Параметры и диапазон вариации времени задержки в линии 3 выбраны так, что обеспечивают совпадения настройки контура 2 на любую из частот о; источника спектра 2(0; высокочастотного входного напрял ения для любой из частот 0„ синхронной перестройки контуров / и 2 из спектра ЕО„ низкочастотного напряжения, подаваемого на вход спектротрона.

Таким образом, каждое из устойчивых положений равновесия прибора характеризуется парой динамических признаков со,- и 2„. частот О„ равно L, поэтому число состояний равновесия |нрибора равно произведению М н L, т. е. во много раз больше, чем в случае использо-вания спектротрона как многоустойчивого элемента.

Однако степень совпадения настройки контура 2 на частоту поступающего в какой-либо заданный момент времени «волнового пакета зависит от величины времени задержки. Если зафиксировать значение частоты О, синхронной перестройки контуров ./ и 2, то нетрудно

показать, что при плавном изменении времени задержки в линии 3 на выходе контура 2 будут выделяться импульсно-модулированные колебания с поочередно меняющимися (дискретно) частотами со,- несущих колебаний, а амплитуда импульсно-модулированных колебаний будет изменяться немонотонно, описывая амплитудную характеристику гребенчатого типа. Эта характеристика представлена

кривой 34 на фиг. 3.

После детектирования импульсно-модулированных колебаний в детекторе 4 и интегрирования полученное значение напряжения также описывается гребенчатой характеристикой

типа 34 (зависимость амплитуды напряжения на выходе интегрирующего звена от времени задержки в линии 3 при фиксированном значении частоты развертки спектра Q и воздействии на вход контура / спектра 2ы,-)С другой стороны, зависимость времени задержки в линии 3 от величины управляющего напряжения, подводимого от интегрирующего звена после соответствующего усиления, выра жается прямой линией обратной связи. Число

таких прямых обратной связи равно числу L фиксированных значений частот fi развертки спектра 2со/.

Из общей теории построения многоустойчивых элементов, содержащих четырехполюсник

с немонотонной амплитудной характеристикой гребенчатого типа, охваченный замкнутой петлей обратной связи, известно, что отмеченные на фиг. 3 точки пересечения обоих графиков определяют положения устойчивого равновесия прибора (производные соответствующих функций в точках пересечения должны быть разных знаков).

Ранее было показано, что время задержки -„; в линии 3, соответствующее точному совпадению настройки контура 2 на частоту ш; нри частоте синхронной перестройки контуров / и 2 0„, определяется на основании выражения

- ±L -

(1) Ki- г, Ь

45

время задержки в линии 3, соответгде т«; ствующее оптимальному совпадению, когда выходными признаками прибора являются частоты ю и

fe -номер частоты Q, целое число

k 1,2,3... L, Л - некоторое целое число, причем

Л/ 1,

ф; - фаза управляющего колебания с

частотой QK развертки спектра частот Ей ;, обусловливающая настройку У и 2 на частоту со;, где i 1,2,3... М.

В ранее описанном автором приборе-синхроспектроне время задержки было всегда постоянным, но автоматически подстраивалась частота и фаза управляющих колебаний, для которой система находилась в устойчивом положении равновесия, В рассматриваемом устя ройстве значения фаз ф; фиксированы для любой из частот Q управляющих колебаний, так как эти колебания независимы от параметров прибора и задаются внешним источником. Поэтому для выполнения равенства типа (1) необходимо для данных частот со и Йд автоматически перестраивать линию 3 по г времени задержки Тд.,- . Можно показать, что при использовании L спектральных составляющих в источнике спектра SQ коэффициент перекрытия по времени задерж ки k для линии 3 т. е. oTHOinieние максимально используемой задержки к минимальной, определяется выражением k Из выражения (2) следует, что для уменьщения величины перекрытия по времени задержки k, что всегда желательно, необходимо выбрать число N так, чтобы удовлетворялось равенство N L. , причем знак приблизительного равенства означает, что берется целая часть от правой части выражения (3). Если правая часть выражения (3) удовлетворяет условию целочисленности (т. е. равна целому числу), то, подставив (3) 1В выражение (2), получаем для коэффициента перекрытия k минимальное значение ft 1. В действительности в процессе автоматической подстройки задержки в линии 3 на различные устойчивые состояния коэффициент k будет несколько больше единицы, но это значение k будет минимальным. Заменяя фазу ф,; через ее индексное выражениеf, -(),(4) находим выражение для времени задержки в виде 2 (k+N- М

Тогда можно записать 2к

(6) 50

та. --( + Ю;

L

J

2- / М )

Под действием приложенного к линии 3 уиравляющего папряжения Ц,пр время задержки т изменяется, например, по линейному закону

2.()60

- (упр) „ (1 + ,„р),(8)

,l

Q, - Q, да- .

(12) 1-1

Если для детектирования высокочастотных сигналов, действующих в контуре 2, используется квадратичный режим с последующим интегрированием, то управляющее напряжение 6у|ф на выходе интегрирующего звена может быть определено из выражения

Кд

(13)

U(t)Ydt,

упр

где kg - коэффициент детектирования, учитываюниш усиление управляющего сигнала в усилителе на триоде 15.

Как следует из выражений (9) и (12), график функции управляющего напряжения f/ynp представляет собой немонотонную кривую 34 характеристики управления временем задержки. Из теории частотно-гармонических многоустойчивых элементов известно, что величина управляющего напряжения Uу„у может быть найдена на основании следующих соображений. Мгновенное значение напряжения, действующего в .контуре 2 и (t), с учетом спектра колебаний выражается суммой (г - 1) До; t + (Х-1)Ло где 0)1 - наименьшее значение частоты спектра 2coi, Qf-добротность контуров / и 2 для i-ной спектральной составляющей (обычно выбирают добротность контуров постоянной в спектре), Дсо - снектральное расстояние между соседними линиями спектра высокочасто ного сигнала, равное для эквидистантного распределения м-г -о7-™ До) Суммирование npoj-зводится по всем Af высокочастотным компонентам снектра Sco; , однако, в зависимости от мгновенного значения настройки контуров 7 и 2 в составе суммарного сигнала Li(l) «вес той или иной спектральной линии может оказаться во много раз выше «весов всех других компонент спектра 2со;. Такая ситуация наблюдается при определенных значениях функции Ф (t/J, изменяющейся непрерывно, согласно гармоническому закону. Функция Ф („) в выражении (9) характеризует мгновенное значение частоты со настройки контуров / и 2 и в условиях непрерывной перестройки последних может быть представлена как Ф (/,) - Ф /f/o соз Qi + (fe - 1) ДО /), (11) где AQ - спектральное расстояние между соседними линиями спектра EQ, равное для эквидистантного распределения линий

(фиг. 3), т. е. амплитуда управляющего напряжения оециллирует при монотонном изменении времени задержки в линии 3.

Таким образом, управляющее работой линии 3 напряжение (7у„р является немонотонной функцией времени задержки т гребенчатого типа. В то же время само значение времени задержки является линейной, например возрастающей, функцией управляющего «апряжения f7y;,p .

На фиг. 3 представлено L прямых для

2-/ц.,. Л1

Кд

/ST

О г 1 где Дт - интервал времени задержки в линии, приходящейся эквивалентно на спектральное расстояние между -соседними эквидистантно распределенными линиями спектра До) (интервал Дт эквивалентен спектральному расстоянию), причем величина интервала равна д 2-. I , Q, ,,/, о, 1 L -NflMO, I o I M Совместное рещение уравнений (8) и (14) имеет несколько корней. Представленные на фиг. 3 графики в отмеченных точках пересечения выражают рещение уравнений (8) и (14) для устойчивых положений равновесия прибора (полное число рещений включает корни, определяющие неустойчивые положения равповесия прибора, число которых равно числу устойчивых положепий; графически эти положения определяются пересечениями графиков, которые не отмечены точками). Как указывалось выще, полное число устойчивых положений равновесия прибора равно произведению чисел М н L P M.L.(16) Определение характеристического номера устойчивого положения равновесия синхроспектротрона производится посредством анализа пары динамических признаков: частот W; и Q. Важно отметить, что только сочетание этих признаков однозначно определяет номер устойчивого состояния прибора, в то время как только значение одного из динамических признаков приводит к многозначному рещению в определении номера 5 устойчивого состояния. Если характеризовать соответствующие группы динамических признаков их ипдексами i и k, то номер S устойчивого положения равновесия прибора, выходными признаками которого являются частоты И; и QK может быть найден из выражения S (й-1)М + г.(17) Перевод синхроспектротрона с нелинейной обратной связью из одного устойчивого положения равновесия в другое осуществляется всеми известными методами, например как в спектротронах (разрывом на определенное

L частот QK спектра 2Q колебаний, подводимых ко входу спектротрона.

Выражения (9) и (13) можно нереписать с учетом замены частотно-зависимого члена, стоящего в квадратных скобках подкоренного выражения в формуле (9), на член, функционально определяемый временем задерл ки в линии 3. Тогда выражение для управляющего напряжения, подводимого к линии задержки 3 для управления ее параметрами, принимает вил

)i-:-(r-1) Д(., W

(14)

(Упр)

..(;-1)Дт время петли обратной связи, подачей коротких импульсов на интегрирующее звено цепи управления калиброванной площади, подсоединением к интегрирующему звену калиброванной емкости и т. д.). Однако следует иметь в виду что для синхроспектротрона требуется самостоятельно осуществлять перевод для каждой из пары цепей обратной связи состояний прибора, характеризуемых индекса:.1и i и k, т. е. необходимо самостоятельно изменять положение равновесия спектротрона (служащего в качестве генератора синхронной перестройки контуров 1 и 2) и основной цепи обратпой связи синхроспектротрона, включающей линию задержки 3. Кроме двух независимых динамических признаков состояния прибора, однозначно и надежно определяющих номер 5 устойчиоого состояния его, имеются статические признаки, обозначенные на фиг. 2 напряжениями L, и UK- Эти напряжения снимаются с соответствующих выходов интегрирующих звеньев. Однако использование статических признаков состояния Ui и и для определения (селекции) помера состояния 5 пежелательно, так как величины напряжений Ll и U для одних и тех же состояний S прибора, но для различных приборов могут оказаться неодинаковыми, вследствие разброса параметров элементов, составляющих прибор. Статические признаки вырабатываются в самом синхроспектротроне и зависят от условий и режима эксплуатации его, поэтому их использование для целей селекции номера S может быть допущено лищь в ограниченном числе случаев. Как правило, для определения номера S следует использовать динамические признаки - частоты СО; и Од. гармонических колебаний. вырабатываемых общими для совокупности ряда однотипных синхроспектротронов источниками спектров 2ы; и . На основе синхроспектротронов с нелинейной обратной связью возможно построение матриц памяти, питание которых производится от общих источников спектра, в силу чего такие источники не входят непосредственно в приборы, т. е. не определяют их конструктивную сложность.

II

женной «а фиг. 2, с точки зрения их функционального назначения.

Конденсаторы 25 и 26 служат в качестве контурных для контуров спектротрона, образованных половинами обмотки 24 управляющего трансформатора. В то же время эти конденсаторы являются блокировочными для токов высокой частоты спектра Sco,-, действующих в контурах 1 и 2.

Конденсатор 28 является блокировочным как для высокочастотных, так и низкочастотных составляющих спектров входных сигналов.

Так как диоды 13 и М используются в качестве нелинейных емкостей в контурах / и 2, то на них необходимо подать смещение, запирающее их. Величина этого смещения должна, по крайней мере, превосходить по абсолютной величине амплитуду управляющих колебаний синхронной перестройки контуров / и 2, возникающих в полуобмотках обмотки 24 управляющего трансформатора (при этом диоды 13 и 14 не проводят «и в какой момент времени и представляют собой лищь нелинейные емкости). Напряжение смещепия задается делителем па сопротивлениях 27 и 29, питаемым от источника напряжения коллекторов триодов 15 и 18. Смещение, образующееся в сопротивлении 27, прикладывается также к базе триода 18, .поэтому задание соответствующего режима работы триода 18 по току базы осуществляется Б схеме установкой сопротивления 22 в цепи эмиттера триода 18.

Перестройка колебательных контуров спектротрона основана на использовании в управляющем трансформаторе магнитопровода

12

(феррита или пермаллоя), изменяющего величину магнитной проницаемости при изменении подмагничивающих ампер-витков, образуемых произведением числа витков обмотки

управления 19 на ток коллектора (средний) триода 18. Установка сопротивления 20 последовательно с обмоткой 19 продиктована необходимостью осуществления операции интегрирования продетектированного и усиленного

сигнала, действующего в контуре спектротрона. Кроме того, введепие в схему сопротивления 20 загрубляет качество -паразитного контура, который образуется от сочетания обмотки управления 19 и конденсатора 21 (т. е. сопротивление 20 делает такой контур апериодическим) .

Предмет изобретения

Многоустойчивый элемент «Синхроспектротрон, содержащий синхронно перестраиваемые контуры, .детектор и интегрирующее звено, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы устройства с повыщенным числом устойчивых состояний равновесия и обеспечепия независимости всех его динамических признаков состояния от разброса параметров составляющих элементов, он содержит спектротрон и автоподстраивающуюся линию задержки, включенную между синхронно перестраиваемыми контурами, причем выход спектротрона через усилитель соединен с управляющими входами синхронно перестраиваемых контуров, а управляющий

вход автоподстраивающейся линии задержки подключен к выходу интегрирующего звена.

I 7

л ..

ЛУГ

ni r 4F

i

Фие.2

(1япр