Генератор сигналов Советский патент 1981 года по МПК H03K3/27 

(54) ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ

фазы и частоты) при включении и перестройке частоты генератора. Причиной этого является постоянная времени фильтра нижних частот, применяемого на выходе смесителя, величина которой (ычно значительно превосходит величину периода преобразуемого напряжения.

Цель изобретения - повышение стабильности частоты и амплитуды выходного напряжения генератора сигналов, а также сокращение времени его установления.

Поставленная цель достигается тем, что в генератор сигналов, содержр1щий задающий генератор, подключенный к сигнальному входу преобразователя частоты, выход которого соединен через фильтр нижних частот с входом усилителя, введены одновибратор-и устройство запуска, включающее в себя два нуль-органа, два триггера, интегратор, инвертор, электронный переключатель, пять формирователей коротких импульсов, шесть элементов И, два элемента НЕ и элемент ИЛИ, при этом вход оцновибратора соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход подключен через последовательное соединение первого элемента НЕ и первого формирователя коротких импульсов к первым входам первого и второго элементов И, а также непосредственно к управляющим входам преобразователя частоты и интегратора, который своим сигнальным входом связан с выходом электронного переключателя, первый и второй сигнальные входы которого соединены соответственно с выходом, инвертора н его входом, подключенным к шине постоянного напряжения; управляющий же вход электронного переключателя соединен через второй формирователь коротких импульсов с первым входом третьего элемента И, а также непосредственно с вторым входом первого элемента И и первым выходом первого триггера, второй выход которого связан непосредственно с вторым входом второго элемента И и через третий формирователь коротких импульсов с первым входом четвертого элемента И, а счетный вход подключен к выходу первого нульоргана, который своим входом связан с выходом задающего генератора; выходы первого и второго элементов И соединены попарно с первым и вторым входами второго триггера, соответствующие выходы которого попарно соединены с первыми входами пятого и шетого Элементов И, которые своими выходами подключены к первому и второму входам элемента ИЛИ, третий и четвертый входы которого связаны с выходами соответственно третьего и чет iвертого элементов И, вторые входы которых соединены соответственно через четвертый и пятый формирователи

коротких импульсов с вторыми входами пятого и шестого элементов И, кроме того, второй вход третьего элемента И связан непосредственно с входом второго элемента НЕ и с выходом второго нуль-органа, вход которого .подключен к выходу интегратора, а второй вход четвертого элемента И соединен с выходом второго элемента НЕ.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого генератора сигналов .

Генератор сигналов содержит задающий генератор 1, преобразователь 2 частоты, фильтр 3 нижних частот, усилитель 4, одновибратор 5, устройсво 6 запуска, включающее в себя нульорган 7, триггер 8 со счетным входом электронный переключатель 9, инвертор 10, интегратор 11, нуль-орган 12, элементы НЕ 13 и 14, формирователь 15 коротких импульсов, элементы И 16 и 17, триггер 18 с раздельным запуском, формирователи 19-22 коротких импульсов, элементы И 23-26 и элемент ИЛИ 27.

Выход задающего генератора 1 связан с сигнальным входом преобразователя 2 частоты, который своим выходом через фильтр 3 нижних частот подключен к входу усилителя 4. Управляющий вход преобразователя 2 частоты соединен с выходом одновибратора 5, вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ 27 устройства 6 запуска. Кроме этого,к выходу одновибратора 5 подключены управляющий вход интегратора 11 и вход элемента НЕ 14, выход которого через формирователь 15 коротких импульсов соединен с первыми входами элементов И 1Ь и 1 /.

Вход нуль-органа 7 подключен к выходу задающего генератора 1, а выход - к счетному входу триггера 8. Первый выход указанного триггера 8 связан непосредственно с управляющим входом электронного переключателя 9 и вторым входом элемента И 16, а также через формирователь 19 коротких импульсов с первым входом элемента И ,а второй - непосредственно с вторым входом элемента И 17, а также через формирователь 20 коротких импульсов с первым входом элемента И 24.ПерВЫЙ и второй сигнальные вход электронного переключателя У соединены соответственно с входом и выходом инвертора 1р.Кроме этого, вход инвертора 10 подключен к источнику : постоянного напряжения U. Выход же электронного переключателя 9 подключен к сигнальному входу интегратора 11, который своим выходом соединен с входом нуль-органа 12. Выход нульоргана 12 соединен непосредственно с вторым входом элемента И 23; через формирователь 21 коротких импульсовс первым входом элемента И 25 и через элемент НЕ 13 с вторым входом элемента И 24 и входом формировател 22 коротких импульсов, выход которого подключен к первому входу элемента И .26. Вторые входы элементов И 25 и 26 подключены соответственно к первому и второму выходам триггера 18, соответствующие входы, которо го соединены попарно с выходами эле ментов И 16 и 17, Выходы элементов И 23-26 соединены с соответствующим входами элемента ИЛИ 27, Генератор сигналов работает следующим образом. Генерируемое задающим генераторо 1 напряжение, частота которого обыч но выбирается на несколько порядков выше желаемой частоты генератора сигналов, подается одновременно на сигнальный вход преобразователя 2 частоты и вход нуль-органа 7 устрой ства 6 запуска. На управляющий вход преобразователя 2 частоты подаются короткие импульсы с выхода одновибратора 5. С исчезновением импульса одновибратора 5 преобразователь 2 частоты переходит в режим хранения, и до прихода следующего импульса одновибратора на его выходе сохраняется уровень напряжения, соответствующий мгновенному значению, входного напряжения в момент окончания импульса одновибратора 5. Для запус ка одновибратора 5 используются запускающие импульсы, формируемые устройством б запуска. Их длительность выбирается значительно меньше длительности импульсов одновибратора. С этой целью в устройстве б запуска используются идентичные формирователи 15, 19,20, 21 и 2-2 корот ких импульсов, которые формируют ко роткие импульсы положительной поляр ности в моменты изменения на входах состояний с 0в1. С помощью нуль-органа 7 и тригге ра 8 со .счетньом входом из выходного напряжения задающего генератора 1 формируются две противофазные после довательности импульсов типа меандр с частотой повторэния, равной половине частотЕ задающего генератора 1. Указанные импульсы, снимаемые с противофазных выходов триггера 8, используются для управления работой электронного переключателя 9, элементов И 16 и И 17, а также в определенные моменты времени из их фронтов с помощью формирователей 19 и 20 коротких импульсов и элементов .И 23, 24 могут формироваться эапускающие импульсы одновибратора 5. В подавляющем большинстве случаев формирование запускающих импульсов одновибратора происходит из фронтов нуль-органа 12 с помощью формирователей 21 и 22 коротких импульсов к элементам и 25, 26. Под воздействием выходных импульсов триггера 8 электронный переключатель 9 подключает сигнальный вход интегратора 11 поочередно то к входу (состояние О на первом выходе триггера 8), то к выходу (состояние . на первом выходе триггера 8) инвертора 10. Вследствие этого во время паузы между импульсами одновибратора 5 выходное напряжение интегратора 11 изменяется по линейному закону в сторону плюса, если к его сигнальному входу подключен выход инвертора 10, и в сторону мину|са, если подключен вход инвертора 10. Во время действия импульса одновибратора 5 разрядный ключ интегратора открыт и его выходное напряжение равно нулю. При оптимальном выборе постоянной времени интегратора 11 последний работает на линейном участке (без ограничения) и уровень его выходного напряжения достаточный для срабатывания нуль-органа .12. Триггер 18 используется в качестве элемента памяти, который запоминает состояние триггера 8, а значит, и направление изменения выходного напряжения интегратора 11 в момент окончания импульса одновибратора 5. Этим обеспечивается формирование запускающих/импульсов из выходного напряжения нуль-органа 12 при том же направлении изменения напряжения интегратора 11, которое он имел в мо- . мент окончания предыдущего импульса одновибратора 5. Установка триггера 18 в состояние, соответствующее состоянию триггера 8 и момент окончания импульса одновибратора 5, осуществляется по следующей цепи: выход одновибратора 5 - последовательное соединение элемента НЕ 14 и формирователя 15 коротких импульсов - первый вход одного из элементов И 16 или 17 (тот, в котором на втором входе имеется . При этом,если первый выход триггера 18 принимает состояние , то формируется пачка запускающих импульсов из .передних фронтов выходного напряжения нуль-с.)гана 12 с помощью формирователя 21 коротких импульсов и элемента И 25. Если же второй выход триггера 18 находится в состоянии 1 , то пачка запускающих импульсов формируется из задних фронтов этого напряжения с помощью элемента НЕ 13, формирователя 22 коротких импульсов и элемента И 26. Неопределенность в установке триггера 18,: которая имеет место, когда задний фронт импульса одновибратора 5 совпадает с фронтом выходного импульса триггера 8, не нарушает нормальной работы устройства 6 запуска, поскольку следующий импульс запуска одновибратора формируется непосредственно из фронта импульса триггера 8 одним из формирователей 19 или 20 коротких импульсов и соответствующим элементом И 23 или 24 (тем, у которого по второму имеется разрешающий потенциал i от нуль-горгана 12).

Для рассматриваемого случая в момент включения;генератора сигналов триггер 8 по первому выходу находит. ся в состоянии Ч, а триггер 18 по первому выходу - в состоянии . Напряжения на выходах преобразователя 2 частоты .и интегратора 11 равны нулю. На время существования положительного потенциала на первом выходе триггера 8 электронный переключатель 9 подключает сигнальный вход интегратора 11 к выходу инвертора 10. Выходное напряжение интегратора 11 линейно нарастает, нуль-орган 12 находится в состоянии . В момент изменения состояния первого выхода триггера 8 из Ч в О электронный переключатель 9 подключает к сигнальному iвходу интегратора вход инвертора 10, при этом напряжение интегратора 11 линейно падает. При прохождении выходным напряжением интегратора 11 нулевого уровня нуль-орган 12 переходит в состояние О. В этот момент из заднего фронта напряжения нуль-органа 12 с помощью элемента НЕ 13 и формирователя 22 коротких импульсов формиру:ется первый запускающий импульс, который проходит через открытый по второму входу элемент И 26 и элемент ИЛИ 27 на вход одновибратора 5. До появления первого запускающего импульса элементы И 24, 25 заперты нулевыми потенциалами соответственно с выхода элемента НЕ 13 и первого выхода триггера 18. Элемент И 23 открыт по второму входу, однако в этот промежуток времени на его первый вход короткие импульсы не поступают. Под воздействием первого импульса запуска И 26 появляется первый импульс одновибратора 5, который открывает ключ преобразователя 2 частоты. Выходное напряжение преобразователя 2 частоты следит за входным. В,это же время импульсом одновибратора по. управляющему входу интегратор 11 удерживается в разряженном состоянии. С окончанием импульса одновибратора 5 на выходе преобразователя 2 частоты действует напряжение,соответствующее мгновенному значению входного в момент окончания импульса одновибратора. Так как задний фронт первого импульса одновибратора совпадает по времени с фронтом выходного импульса триггера 8-, то триггер 18 может принять любое состояние. В то.же время в течение всей паузы после первого И1«тульса одновибратора нуль-орган 12 находится в состоянии , в результате чего по второму входу элемент И 23 открыт, т.е. имеется разрешение на прохождение второго запускающего импульса, сформированного формирователем 19 коротких импульсов из переднего фронта напряжения триггера В. Пройдя через элемент ИЛИ 27,этот .запускающий импульс вторично запускает одновибратор Ь.По; воздействием второго импульса одновибратора в преобразователе 2 запоминается новое значение напряжения. В момент появления заднего фронта импульса одновибратора триггер 18 по первому выходу устанавливается в состояние , обеспечивая разрешение на прохождение через элемент И 25 третьего, четвертого и пятого запускающих импульсов, формируемых формирователем 21 коротких импульсов из переднего фронта выходного напряжения нуль-органа 12. Через элементы И 23, 24, 25 на этом интервале запускающие импульсы не проходят.

В паузе между пятым и шестым импульсом одновибратора 5 напряжение на выходе интегратора 11 имеет отрицательную полярность, поэтому нульорган 12 находится в состоянии О Нулевой потенциал на выходе нуль-органа 12 обеспечивает разрешение на прохождение через элемент И 24 запускающего импульса от форми рователя :20 коротких импульсов, совпадающего с задним фронтом напряжения триггера 8. Шестой импульс одновибратора устанавливает своим задним фронтом первый выход триггера 18 в состояние О (если такое не было установлено предыдущим импульсе одновибратора) . Новое состояние триггера 18 обеспечивает возможность прохождения через элемент И 26 седь мого, восьмого и девятого запускающих ши1пульсов, формируемых формирователем 22 из задних фронтов нульоргана 12.

С появлением девятого запускающего импульса первый цикл работы устройства б запуска заканчивается. В следующих циклах формирование запускающих импульсов происходит аналогичным образом.

Во время существования импульсов одновибратора, особенно в моменты появления из задних фронтов, на выходах открытых элементов И 23.-26 возможно появление паразитных запускающих импульсов вызванных неустойчивостью состояния нуль-органа 12. Последнее обуславливается нулевым выходным напряжением интегратора 11. Однако такие паразитные импульсы не приводят к повторному запуску одновибратора, поскольку в последнем не закончены восстановительные процессы Таким образом, периодичность следова ния импульсов одновибратора не нарушается..

За один цикл работы устройства б запуска на выходе преобразователя 2 частоты формируются два периода напряжения. В приведенном примере длительность импульса одновибратора 5 составляет четверть периода задающе го, генератора 1. .Нестабильность выходной частоты не возрастает с увеличением отношения частот, что наблюдается в генераторах сигналов с применением вспо могательного генератора. Это позвол ет в значительной степени расширить частотный диапазон генерируемых напряжений .в сторону инфраниэких частот. Другим важным преимуществом пред лагаемого генератора сигналов по сравнению с известным является боле высокая стабильность амплитуды гене рируемых напряжений, поскольку исключен из схемы вспомогательный ген ратор, нестабильность амплитуды кот рого сказывается на нестабильности амплитуды выходного напряжения Кроме того, в .предлагаемом генераторе сигналов возможно применение более быстродействующего фильтра нижних частот или даже его исключен из схемы, обусловленное значительным подавлением паразитных комбинационных частот в самом преобразователе частоты .- аналоговом запоминающем устройстве. Это позволяет повысить быстродействие генератора сигналов, т.е. сократить время уста новления его выходных параметров при включении и перестройке частоты Формула изобретения Генератор сигналов, содержащий задающий генератор, подключенный к сигнальному входу преобразователя частоты, выход которого соединен через фильтр нижних частот с входом усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения стабиль ности частоты и амплитуды выходного напряжения, а также сокращения времени его установления, в Него введе ны одновибратор и устройство запуска, включающее в себя два нуль-орга два триггера, интегратор, инвертор, злектронный переключатель, пять фор мирователей коротких импульсов, шесть элементов И, два элемента.НЕ и элемент ИЛИ, при этом вход одно-, вибратора соединен с выходом элемен та ИЛИ, а выход подключен через последовательное соединение первого элемента НЕ и первого формирователя коротких импульсов к первым входам первого и второго элементов И, а также непосредственно к управляющим входам преобразователя частоты и интегратора, который своим сигнальным входом связан с выходом электронного переключателя, первый и второй сигнальные входы которого соединены соответственно с выходом инвертора и его входом, подключенным к шине постоянного напряжения; управляющий же вход электронного переключателя соединен через второй формирователь коротких импульсов с первым входом третьего элемента И, а также непосредственно с вторым входом первого элемента И и первым выходом первого триггера, второй выход которого соединен непосредственно с вторьм входом второго элемента И и через третий формирователь коротких импульсов с первым входом четвертого элемента И, а счет.ный вход подключен к выходу первого нуль-органа, который своим входом соединен с выходом задающего генератора; выходы первого и второго элементов И соединены попарно с первым и вторым входами второго триггера, соответствующие выходы которого попарно соединены с первыми входами пятого и шестого элементов И, которые своими выходами подключены к первому и второму входам элемента ИЛИ, третий и четвертый входы которого связаны с выходами соответственно третьего и четвертого элементов И, вторые входы которых соединены соответственно через четвертый и пятый формирователи коротких импульсов с вторыми входами пятого и шестого элементов И, кроме того, второй вход третьего элемента И соединен непосредственно с входом второго элемента НЕ и с выходом второго нуль-органа, вход которого подключен к выхЬду интегратора, второй вход четвертого элемента И соединен с выходом второго элемента НЕ. Источники информации, принятые Во внимание при экспертизе 1.Валитов Р.А. и др. Генераторы стимулирующих сигналов для автоматических систем контроля. М., Энергия, 1972, с.55. 2.Барсуков Ф.и. Генерирование и селекция сигналов низкой частоты . 1968, с.78. М., Энергия

И