Устройство для преобразования девиации фазы периодического сигнала

 

Изобретение относится к радиотехнике, где используются сигналы с угловой модуляцией, для преобразования девиации фазы с любым заданным коэффициентом преобразования. Технический результат заключается в преобразовании девиации фазы периодического сигнала с произвольным коэффициентом преобразования больше единицы в технически реализуемом диапазоне. Устройство содержит первый смеситель (С)(1), к первому входу которого подключен выход первого полосного усилителя (ПУ)(2), второй С(7), к первому входу которого подключен выход второго ПУ(6), а выход подключен к входу первого ПУ(2), третий С(4), к входам которого подключены выходы первого (2) и второго (6) ПУ, регистратор (8), к первому входу которого подключен выход третьего ПУ(5), к выходу первого С(1) подключен преобразователь начальной фазы (ПНФ) (3), выход которого подключен к входу второго ПУ(6), к второму входу первого С(1) подключен вход устройства, а ко вторым входам второго С(7) и регистратора(8) подключен вход опорного сигнала. ПНФ(3) содержит четвертый С(9), оба входа которого и вход многокаскадного ПУ(12) подключены к выходу четвертого ПУ(11), вход которого является входом ПНФ(3), пятый С(10), к первому входу которого подключен выход четвертого С(9), ко второму входу подключен выход многокаскадного ПУ(12), а выход является выходом ПНФ.1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и другим областям электронной техники, в которых используются сигналы с угловой модуляцией, и может быть использовано для преобразования девиации фазы с любым заданным коэффициентом преобразования.

В качестве аналога изобретения могут быть рассмотрены известные устройства для преобразования девиации фазы [1], в которых используются косвенные способы преобразования угловой модуляции.

Недостатком известных устройств является их сложность и функционирование только в динамическом режиме.

В результате поиска среди научных публикаций, патентов и авторских свидетельств на изобретения авторами не выявлены способы и устройства преобразования (усиления) девиации фазы периодического сигнала с произвольным коэффициентом преобразования больше единицы (аналогично амплитудным усилителям).

Известен способ линеаризации характеристик дифференциальных частотных датчиков, заключающийся в том, что из стабильной опорной частоты вычитают первую выходную частоту и полученной разностью синхронизируют вторую выходную частоту, а вторую выходную частоту вычитают из стабильной опорной частоты и полученной разностью синхронизируют первую частоту [2]. Устройство, реализующее способ, содержит первый полосный усилитель, первый смеситель, второй полосный усилитель, второй смеситель, которые образуют замкнутый контур, а ко вторым входам смесителей подключен выход опорного генератора, третий смеситель, входы которого подключены к выходам первого и второго полосных усилителей, а выход к третьему полосному усилителю. При выполнении условий баланса амплитуд

и баланса фаз в данной автоколебательной системе на выходах первого и второго полосных усилителей генерируются сигналы с комбинационными частотами.

Известное устройство, реализующее способ, может быть использовано для преобразования девиации фазы периодического сигнала, так как существует возможность изменять частоты генерируемых сигналов и, соответственно, фазовые сдвиги в полосных усилителях путем изменения частоты опорного сигнала.

Недостатком известного устройства является невозможность получения коэффициентов преобразования больше единицы.

Цель изобретения - преобразование девиации фазы периодического сигнала с произвольным коэффициентом преобразования больше единицы в технически реализуемом диапазоне.

С этой целью в известное устройство, содержащее первый смеситель, к первому входу которого подключен выход первого полосного усилителя, второй смеситель, к первому входу которого подключен выход второго полосного усилителя, а выход подключен к входу первого полосного усилителя, третий смеситель, к входам которого подключены выходы первого и второго полосных усилителей, регистратор, к первому входу которого подключен выход третьего полосного усилителя, с целью увеличения девиации фазы выходного сигнала по сравнению с девиацией фазы входного сигнала относительно начальной фазы входного опорного сигнала, к выходу первого смесителя подключен преобразователь начальной фазы, выход которого подключен к входу второго полосного усилителя, к второму входу первого смесителя подключен вход устройства, а ко вторым входам второго смесителя и регистратора подключен вход опорного сигнала.

С целью получения инверсной фазочастотной характеристики каскадного соединения преобразователь начальной фазы и второй полосный усилитель по отношению к фазочастотной характеристике второго полосного усилителя, преобразователь начальной фазы содержит четвертый смеситель, оба

входа которого и вход многокаскадного полосного усилителя подключены к выходу четвертого полосного усилителя, вход которого является входом преобразователя начальной фазы, пятый смеситель, к первому входу которого подключен выход четвертого смесителя, ко второму входу подключен выход многокаскадного полосного усилителя, а выход является выходом преобразователя начальной фазы.

Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании изобретения, являются простые устройства фазовой модуляции, обладающие высокой чувствительностью и имеющие возможность плавного изменения индекса модуляции; усилители сверх малых девиаций фазы выходных сигналов фазогенераторных датчиков и другие устройства.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства.

Устройство содержит балансные смесители 1, 4, 7, полосные усилители 2, 5, 6, преобразователь начальной фазы 3 и регистратор 8.

На фиг.2 изображен вариант структурной схемы преобразователя начальной фазы 3.

Преобразователь начальной фазы содержит балансные смесители 9 и 10, полосный усилитель 11 и многокаскадный полосный усилитель 12.

На фиг.3 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации фазы входного периодического сигнала, когда его частота равна сумме частот генерируемых сигналов.

Приведены зависимости ϕ(f₂) и ϕ(f₁) эквивалентных фазочастотных характеристик.

На фиг.4 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации фазы входного периодического сигнала, когда его частота равна разности частот генерируемых сигналов.

Приведены зависимости ϕ(f₂) и ϕ(f₁) эквивалентных фазочастотных характеристик.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для преобразования девиации фазы периодического сигнала. Устройство содержит смеситель

1, к первому входу которого подключен выход полосного усилителя 2, а к выходу подключен вход преобразователя начальной фазы 3, к выходу которого подключен полосный усилитель 6, смеситель 7, к первому входу которого подключен выход полосного усилителя 6, а к выходу подключен вход полосного усилителя 2, смеситель 4, ко входам которого подключены выходы полосных усилителей 2 и 6, а выход подключен к полосному усилителю 5, выход которого подключен к первому входу регистратора 8, ко второму входу смесителя 1 подключен вход устройства, а ко вторым входам смесителя 7 и регистратора 8 подключен вход опорного сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Резонансные частоты f₁₀ и f₂₀ первого и второго полосных усилителей при известной частоте f₀ входного сигнала выбирают в соответствии с условием:

Входной модулированный по фазе сигнал с частотой f₀ подается на второй вход смесителя 1, а на второй вход смесителя 7 подается опорный сигнал той же частоты с фиксированной начальной фазой ψ, которая является средней фазой модулированного сигнала. На выходах полосных усилителей 2 и 6 генерируются сигналы с частотами f₁ и f₂, если выполнены условия баланса амплитуд и баланса фаз. Выходные сигналы балансных смесителей 1 и 7 содержат компоненты с суммарной и разностной частотой смешиваемых сигналов. На выходе полосного усилителя 6 генерируется сигнал, частота которого равна разности f₀-f₁ или f₁-f₀ в зависимости от знака в условии (1). На выходе полосного усилителя 2 генерируется сигнал, частота которого равна f₀ ± f₂ в соответствии со знаком в условии (1). Благодаря преобразователю начальной фазы 3 фазочастотные характеристики полосного усилителя 2 и каскадного соединения преобразователь начальной фазы 3 и полосный усилитель 6 имеют наклоны разного знака (см. фиг.3 и 4).

Установившийся режим в рассматриваемом устройстве относительно частот генерируемых сигналов при выполнении условия баланса амплитуд определяется системой уравнений:

где ϕ₀ - значение девиации фазы входного сигнала относительно начальной фазы опорного сигнала.

Если значения частоты входного сигнала и резонансных частот полосных усилителей отвечают условию (1), то баланс фаз по замкнутому контуру смеситель 1, преобразователь 3, усилитель 6, смеситель 7, усилитель 2 выполняется при нулевых фазовых сдвигах. Если при этом ϕ₀=0, то частоты генерируемых сигналов совпадают с резонансными частотами усилителей 2 и 6 (см. фиг.3 и 4).

Отклонение начальной фазы входного сигнала относительно значения ψ опорного сигнала нарушает баланс фаз. Начинается переходный процесс, заключающийся в изменении частот генерируемых сигналов полосных усилителей до тех пор, пока не наступит баланс фаз при новых значениях частот. Новый установившийся режим показан на фиг.3 и фиг.4. Ему соответствуют частоты f₁ и f₂. При определенных условиях фазовые сдвиги в полосных усилителях ϕ₁ и ϕ₂ много больше девиации фазы ϕ₀ входного сигнала. Затем оба генерируемых сигнала перемножаются в смесителе 4. С помощью полосного усилителя 5 выделяется сигнал, частота которого равна частоте f₀ входного сигнала, а начальная фаза равна

В регистраторе 8 сравниваются два сигнала одинаковой частоты с фазовым сдвигом относительно друг друга равным ϕ₁, который может быть много больше ϕ₀.

Воспользуемся следующими выражениями для фазочастотных характеристик ϕ(f₁) и ϕ(f₂):

где Q₁ и Q₂ - добротности резонансных усилителей.

Линеаризуем фазочастотные характеристики в области полосы пропускания усилителей:

Решая совместно (2) и (5), найдем выражение для частоты f₁, а затем с помощью (5) выражение для ϕ₁. В результате получим:

Чувствительность преобразователя определяется выражением:

Так как знаменатель (7) может быть каким угодно малым по сравнению с числителем, то и усиление девиации фазы может быть каким угодно большим. Видно, что изменение добротности одного из усилителей вызывает изменение девиации фазы выходного сигнала при неизменной девиации фазы входного сигнала. Происходит преобразование (усиление) девиации фазы. Коэффициент преобразования может быть достаточно большим.

Отрицательный знак во втором выражении (4) получен благодаря преобразователю начальной фазы 3. Пример структурной схемы преобразователя начальной фазы приведен на фиг.2.

Преобразователь 3 содержит смеситель 9, к обоим входам которого и ко входу многокаскадного полосного усилителя 12 подключен выход полосного усилителя 11, вход которого является входом преобразователя, смеситель 10, к первому входу которого подключен выход смесителя 9, ко второму входу подключен выход многокаскадного полосного усилителя 12, а выход является выходом преобразователя.

Преобразователь начальной фазы 3 работает следующим образом.

Полосный усилитель 11 и все каскады трехкаскадного полосного усилителя 12 имеют одинаковую добротность, равную добротности полосного усилителя 6, и настроены на его резонансную частоту. При смещении частот генерируемых сигналов относительно резонансных частот, в усилителе 11 и в каждом каскаде трехкаскадного усилителя 12 сигнал приобретает дополнительный фазовый сдвиг Δϕ. В результате, если начальная фаза входного сигнала преобразователя 3 была ψ*, то на выходе усилителя 12 его начальная фаза будет (ψ*+4Δϕ). Начальная фаза сигнала с двойной частотой на выходе смесителя 9 будет (2ψ*+2Δϕ). У сигнала на выходе смесителя 10 с разностной частотой, равной частоте входного сигнала преобразователя 3, начальная фаза будет равна (2ψ*+2Δϕ-ψ*-4Δϕ). В полосном усилителе 6 сигнал получает дополнительный фазовый сдвиг Δϕ, в результате начальная фаза генерируемого сигнала на его выходе будет равна (ψ*-Δϕ). Все указанное справедливо при любом отклонении частоты генерируемого сигнала от соответствующей резонансной частоты. Эквивалентная фазочастотная характеристика каскадного соединения преобразователя начальной фазы 3 и полосного усилителя 6 будет инверсной по отношению к фазочастотной характеристике полосного усилителя 6, и соответствует второму выражению (4).

Таким образом подобное устройство позволяет во много раз увеличить девиацию фазы выходного сигнала относительно фиксированной начальной фазы опорного сигнала по сравнению с девиацией фазы входного сигнала и создать на его основе “фазовые усилители” по аналогии с амплитудными усилителями.

Литература

1. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев и др. - М.: Радио и связь, 1990. - 432 с.

2. А.с. 754442 (СССР) G06G 7/26 Способ линеаризации характеристик дифференциальных частотных датчиков/ В.К. Шакурский, Ю.И. Моргунов. Опубл. 07. 08. 80 г. Бюл. №29.

Формула изобретения

1. Устройство для преобразования девиации фазы периодического сигнала, содержащее первый смеситель, к первому входу которого подключен выход первого полосного усилителя, второй смеситель, к первому входу которого подключен выход второго полосного усилителя, а выход подключен к входу первого полосного усилителя, третий смеситель, к входам которого подключены выходы первого и второго полосных усилителей, а выход подключен к третьему полосному усилителю, регистратор, к первому входу которого подключен выход третьего полосного усилителя, отличающееся тем, что к выходу первого смесителя подключен преобразователь начальной фазы, выход которого подключен к входу второго полосного усилителя, ко второму входу первого смесителя подключен вход устройства, а ко вторым входам второго смесителя и регистратора подключен вход опорного сигнала.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что преобразователь начальной фазы содержит четвертый смеситель, оба входа которого и вход многокаскадного полосного усилителя подключены к выходу четвертого полосного усилителя, вход которого является входом преобразователя начальной фазы, пятый смеситель, к первому входу которого подключен выход четвертого смесителя, ко второму входу подключен выход многокаскадного полосного усилителя, а выход является выходом преобразователя начальной фазы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4