Генератор гармонических колебаний

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах для формирования радиосигналов, модуляции и преобразования частот. Достигаемый технический результат - достижение малого времени захвата в генераторе гармонических колебаний. Устройство содержит источник внешних колебаний ИВК (1), двухрежимный автогенератор (2), нагрузку (3), первый и второй ключи (4 и 9), генератор временного интервала ГВИ (5), фазовый детектор (6), запоминающее устройство (7) и управляемый фазовращатель (8). 4 ил.

 

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах для формирования радиосигналов, модуляции и преобразования частот.

Для приема, передачи и обработки сигналов используются генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний, основные требования к которым определяются мощностью, стабильностью частоты и чистотой спектра выходного колебания. Одним из видов источников гармонических колебаний являются автогенераторы в режиме захвата частоты.

Явление захвата частоты автогенератора рассмотрено в литературе, например [1], [2], [3].

Приведенные схемы - это двухрежимные автогенераторы, так как они при отсутствии внешнего возбуждения работают в режиме автоколебаний, а при наличии внешнего гармонического колебания - в режиме захвата. Описание двухрежимных автогенераторов дано в источниках [1], [2], [3], [6] и [7].

В книге [2] отмечается возможность генерации в режиме захвата частоты значительной мощности, при этом стабильность частоты сохраняется равной стабильности частоты внешнего (независимого) источника колебаний (см., например, §5.6).

Известны синтезаторы частоты по патентам [4] и [5], в состав которых входит двухрежимный автогенератор (автогенератор, имеющий режим захвата частоты), что позволяет уменьшить шум в составе выходного напряжения синтезатора.

Функциональная схема автогенератора в режиме захвата частоты, приведенная в [3], представляет работу генератора гармонических колебаний в режиме захвата в наиболее общем виде и, естественно, справедлива во всех вариантах, приведенных в

[1], [2], [4], [5], [7].

В автогенераторе, находящемся под действием внешней ЭДС е(t) и работающем в режиме захвата, можно применить условие баланса фаз [3].

Внешняя ЭДС и напряжение автоколебаний можно представить в виде:

е(t)=Ecos(ωЗt+φ0), eAK(t)=U0cos(ω0t),

где Е - амплитуда внешней ЭДС;

ωЗ - частота внешней ЭДС;

φ0 - фаза колебаний в момент t=0;

t - текущее время;

U0 - амплитуда автоколебаний;

ω0 - частота автоколебаний.

При стационарном режиме захвата автогенератор генерирует частоту, равную частоте внешних колебаний ωЗ, с фазовым сдвигом относительно внешней ЭДС на угол α [3], [7]. Напряжение, генерируемое автогенератором в режиме захвата, можно записать в виде:

eЗК(t)=U0cos(ωЗt+α).

В соответствии с [1], [2], [4], [5] определена связь между полосой захвата - 2|ωЗ0| и амплитудой - Е, внешней ЭДС, нормированной к амплитуде автоколебаний U0 в виде

где Q - добротность контура автогенератора.

Или, если обозначить относительную полосу захвата b, где

,

а нормированное напряжение внешнего источника a, где то получим условие захвата автогенератора по частоте b≤a. Следовательно, минимальное значение напряжения внешнего источника a=b.

Из формулы видно, что Е может быть меньше, чем Ua, во столько раз, во сколько удвоенная отстройка |ωЗ0| меньше полосы пропускания контура ω0/Q.

Таким образом, в режиме захвата частоты автогенератор работает на частоте независимого источника ЭДС, но со значительно большей мощностью.

Однако для перехода из режима автоколебаний в режим захвата требуется время. Временные характеристики процесса захвата частоты рассмотрены [3], [7], где показано, что время установления автоколебаний по частоте случайно и зависит от величины амплитуды источника внешних колебаний a, отстройки частот и главное - от фазы колебаний φ0 в момент t=0. Как следует из [3] и [7], увеличение времени установления автоколебаний по частоте в функции от фазы φ0 может быть значительным. В [3] и [7] показано, что возможны два значения угла сдвига между внешними колебаниями е(t) и колебаниями автогенератора eЗК(t) в режиме захвата угол α и угол αY. Первый из которых - α - является устойчивым, а второй - αY - условно устойчивым. Попадание угла φ0 в область фаз, близких к величине αY , приводит к значительному росту времени процесса захвата и может привести (теоретически) к бесконечно большой величине этого времени. Предлагается устройство, свободное от данного недостатка.

Наиболее близкой к предлагаемому устройству является генератор гармонических (синусоидальных) колебаний, приведенный в [3], принятый за прототип.

Функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено:

1 - источник внешних колебаний (ИВК);

2 - двухрежимный автогенератор (ДА);

3 - нагрузка.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные ИВК 1, ДА 2 и нагрузку 3.

Гармонические колебания с выхода ИВК 1 подаются на вход ДА 2, в котором происходит захват частоты, и автоколебания с выхода ДА 2 с частотой ИВК 1 подаются на вход нагрузки 3.

Работает устройство-прототип следующим образом.

После включения ИВК 1 начинает вырабатывать стабильное по частоте гармоническое колебание, и в то же время ДА 2 генерирует напряжение в режиме автоколебаний (генерация стабильных по частоте колебаний занимает больше времени, чем генерация нестабильных автоколебаний), напряжение от ИВК, поступаемое в ДА 2, воздействует на него таким образом, что через определенное время происходит захват частоты ДА 2 частотой ИВК 1, и на нагрузку 3 подаются гармонические колебания с частотой ИВК. Однако, как показано в [3] и отмечалось выше, время захвата по частоте случайно и зависит от величины амплитуды ИВК, отстройки частот и главное - от разности фаз между гармоническими колебаниями в начальный момент. Остановимся на этом вопросе подробнее.

В работах [3] и [7] рассмотрено изменение фазы в процессе захвата колебаний автогенератора. Найдено аналитическое решение, в котором задействованы следующие переменные значения:

τ - время, нормированное к τ0;

τ0=1/2πΔf0 - постоянная времени, определяемая колебательным контуром ДА.

Отметим, что в τ0 содержится 2π Q периодов колебаний с частотой автоколебаний ω0.

Δf0 - полоса пропускания контура ДА 2;

a - амплитуда напряжения ИВК 1, нормированная к амплитуде напряжения ДА 2. Обратим внимание, что значение a по принципу работы значительно меньше единицы. Для объяснения временных характеристик захвата введем еще одно обозначение, а именно - 1/k - превышение амплитуды источника внешних колебаний a над минимально возможной амплитудой b,

1/k=a/b.

В [3] и [7] показано, что роль постоянной времени в режиме захвата играет нормированное время τЗ, определяемое соотношением τЗ=τ·a, что означает увеличение в 1/a раз. Или, другими словами, показывает факт сужения полосы в режиме захвата в это же число раз, число периодов колебаний с частотой автоколебаний ω0 в отрезке времени τЗ=1 составляет 2π Q/a. Например, при Q=50, a=0.15 будет 2000.

При перечисленных обозначениях и нормировках фаза между колебаниями источника внешних колебаний и автогенератора А(τЗ, φ0) имеет, согласно [3] и [7], вид:

где ec определяется выражением

На фиг.2 и 3 приведены зависимости изменения фазы ДА 2 в функции от времени при k=0.2 и k=0.9 для различных значений начальной фазы ϕ0 (рис.10 и рис.12 из [3]). На фиг.2 приведен случай, когда амплитуда напряжения ИВК 1 значительно превосходит минимальное значение b, конкретно в 1/0.2=5 раз.

Из графиков фиг.2 видно, что установившееся (устойчивое) значение фазового сдвига между колебаниями захваченного автогенератора и колебаниями источника внешних колебаний равно α=- 10°. Второе значение (условно устойчивое) αY=200° или в радианах αY=1.11.

Как видно из графиков фиг.2, время, за которое α(τЗ, ϕ0) достигает величины α, зависит от ϕ0. О величине ϕ0 можно судить по значению α(τЗ, ϕ0) в момент времени τЗ=0, если принять (τЗ=τ/α). Кроме того, величина ϕ0 в обозначении α(τЗ, ϕ0) на графике представлена в радианах, деленных на π. Например, α(τЗ, 1) означает ϕ0=π или ϕ0=180°.

Возьмем, для примера, кривую α(τЗ, 0.5), которая показывает установление фазы в функции от времени при условии ϕ0=90°. Из кривой видно, что фазовый сдвиг от времени - величина отрицательная, т.е. автогенератор как бы «тормозит».

При τЗ=1.7 фазовый сдвиг составляет 20°, и для большинства практических случаев потерями из-за такого сдвига можно пренебречь, то есть можно считать переходный процесс закончившимся. Например, при синхронном детектировании потери пропорциональны 1-cos20°=0.95, т.е. малы.

Рассмотрим кривую α(τЗ, 1), которая показывает установление фазы при захвате при условии ϕ0=180° или ϕ0=-180°. Из кривой видно, что значение фазового сдвига между колебаниями захваченного автогенератора и колебаниями источника внешних колебаний от времени уменьшается и стремится к -10°. Отметим, что производная от α(τЗ, 1) по τЗ отрицательная, т.е. автогенератор как бы «тормозит». Переходный процесс установления фазы для случая α(τЗ, 1) более длительный, чем для случая α(τЗ, 0.5), значение достигается 10° (ошибка 20°) за τЗ=4.

Рассмотрим кривую α(τЗ, -0.5), которая показывает установление фазы при условии ϕ0=-90°. Из кривой видно, что фазовый сдвиг от времени уменьшается и стремится к -10°. Отметим, что производная от α(τЗ, ϕ0) по τЗ положительная, т.е. фаза автогенератора как бы «обгоняет» фазу источника внешних колебаний, время переходного процесса до значения - 30° равно τЗ=1.7. Как видно из кривых фиг.2, характер переходного процесса сильно меняется при начальных значениях фазы 195°<ϕ0<205°. Начальное значение ϕ0 удобно смотреть по значению α(τЗ, ϕ0) в момент τЗ=0. В этом интервале значений ϕ0 не только резко возрастает время переходного процесса, но меняется знак производной. Это означает, что существует точка, в которой производная равна нулю, то есть фаза не меняется. Это условно устойчивая точка αY, так как при генерации сигнала с фазой αY незначительное изменение угла приводит к переходному процессу по кривым типа α(τЗ, -0.83) или α(τЗ, -0.85) и к переходу генерации сигнала в устойчивой точке с фазой α. Следует заметить, что вероятность попадания начальной фазы ϕ0 в интервал 195°<ϕ0<205°, близкий к условно устойчивой точке, αY равна pYY=1/36.

На фиг.3 приведен случай, когда амплитуда напряжения источника внешних колебаний незначительно превосходит минимальное значение b, конкретно в 1/0.9=1.11 раз. Из графиков видно, что установившееся значение фазового сдвига между колебаниями захваченного автогенератора и колебаниями источника внешних колебаний равно α=-65°.

Рассмотрим кривую α(τЗ, 1), которая показывает установление фазы при захвате при условии ϕ0=180° или ϕ0=-180°. Из кривой видно, что значение фазового сдвига между колебаниями захваченного автогенератора и колебаниями источника внешних колебаний от времени уменьшается и стремится к -65°. Отметим, что производная от α(τЗ, 1) по τЗ отрицательная, т.е. автогенератор как бы «тормозит». Определим время переходного процесса, как и в предыдущем случае ошибкой в 20°. Тогда переходный процесс установления фазы для случая α(τЗ, 1) будет τЗ=4.3.

Рассмотрим кривую α(τЗ, 0.5), которая показывает установление фазы в режиме захвата при условии ϕ0=90°. Из кривой видно, что фазовый сдвиг от времени уменьшается и стремится к -65°. Отметим, что производная от α(τЗ, 0.5) по τЗ, отрицательная. При τЗ=2.7 фазовый сдвиг относительно -65° составляет 20° и, как упоминалось выше, для большинства практических случаев потерями из-за такого сдвига можно пренебречь.

Рассмотрим кривую α(τЗ, -0.5), которая показывает установление фазы при захвате при условии ϕ0=-90°. Из кривой видно, что фазовый сдвиг от времени уменьшается и стремится к -65°. Отметим, что производная от α(τЗ, -0.5) по τЗ положительная, т.е. фаза автогенератора как бы «обгоняет» фазу источника внешних колебаний, время переходного процесса до значения -85° равно τЗ=1.4.

Характер зависимостей сильно меняется при начальных значениях фазы:

-116°<ϕ0<-108°.

В этом интервале значений ϕ0 резко возрастает время переходного процесса, меняется знак производной, то есть существует точка, в которой фаза не меняется. Это условно устойчивая точка, так как незначительное изменение угла приводит к переходному процессу по кривым типа α(τЗ, -0.6) или α(τЗ, -0.65). Вероятность попадания в интервал условно устойчивой точки pYY=1/36.

Аналогичные графики приведены в [3], [7], для других значений b/a, таким образом, значительное, непрогнозируемое времени захвата является недостатком генератора гармонических колебаний на основе автогенератора в режиме захвата частоты.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата в виде создание генератора гармонических колебаний с малым временем захвата.

Для решения поставленной задачи в генератор гармонических колебаний, содержащий источник внешних колебаний, двухрежимный автогенератор и нагрузку, согласно изобретению введены первый и второй ключи, генератор временного интервала, фазовый детектор, запоминающее устройство и управляемый фазовращатель, при этом выход источника внешних колебаний соединен с первым входом первого ключа и первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом двухрежимного автогенератора и первым входом второго ключа; выход фазового детектора через запоминающее устройство соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, первый вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход управляемого фазовращателя соединен со входом двухрежимного автогенератора; выход генератора временного интервала соединен с управляющими входами первого ключа, запоминающего устройства и второго ключа, выход которого соединен с нагрузкой.

Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.4, где введены следующие обозначения:

1 - источник внешних колебаний (ИВК);

2 - двухрежимный автогенератор (ДА);

3 - нагрузка;

4, 9 - первый и второй ключи;

5 - генератор временного интервала (ГВИ);

6 - фазовый детектор;

7 - запоминающие устройство;

8 - управляемый фазовращатель.

Предлагаемое устройство содержит источник внешних колебаний (ИВК) 1, двухрежимный автогенератор (ДА) 2, нагрузку 3, первый 4 и второй 9 ключи, генератор временного интервала (ГВИ) 5, фазовый детектор 6, запоминающее устройство 7 и управляемый фазовращатель 8. При этом выход ИВК 1 соединен с первым входом первого ключа 4 и первым входом фазового детектора 6, выход ДА 2 соединен со вторым входом фазового детектора 6 и с первым входом второго ключа 9; выход фазового детектора 6 через запоминающее устройство 7 соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя 8, первый вход которого соединен с выходом первого ключа 4, а выход управляемого фазовращателя 8 соединен со входом ДА 2; выход ГВИ 5 соединен с управляющими входами первого ключа 4, запоминающего устройства 7 и второго ключа 9, выход которого соединен с нагрузкой 3.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Блоки ИВК 1 и ДА 2 генерируют переменные напряжения в форме гармонических колебаний с близкой частотой, но с разными фазами. В исходном состоянии ключи закрыты. Переменное напряжение ИВК 1 поступает на первые входы закрытого первого ключа 4 и фазового детектора 6. Переменное напряжение ДА 2 поступает на первый вход закрытого второго ключа 9 и на второй вход фазового детектора 6. Выходное напряжение фазового детектора 6, пропорциональное разности фаз между напряжением ИВК 1 и напряжением ДА 2, через ЗУ 7 подается на управляемый фазовращатель 8, который устанавливает фазу, примерно равную по величине разности фаз между напряжением ИВК 1 и напряжением ДА 2. В момент времени t0 включается ГВИ 5, который по истечении временного интервала Δt вырабатывает импульс управления. Этот импульс является командой для запоминания напряжения, пропорционального фазе в запоминающем устройстве 7, выходное напряжение которого устанавливает на управляемом фазовращателе 8 фазу, близкую или равную по величине фазе между колебаниями ИВК 1 и ДА 2, которая определена в фазовом детекторе 6, но противоположную по знаку. Кроме того, импульс управления с ГВИ 5 является командой на открывание первого ключа 4, и колебание с выхода ИВК 1 через управляемый фазовращатель 8 подается на ДА 2, в котором происходит захват автоколебаний ДА 2 колебаниями ИВК 1. Кроме того, импульс управления с ГВИ 5 подается на ключ 9 и является командой на его открывание, в результате чего колебание с выхода ДА 2 подводится к нагрузке 3.

Таким образом, в начальный момент работы ДА 2 в режиме захвата фаза его колебаний отличается от фазы напряжения ИВК 1 на малую величину. Следовательно, переходный процесс установления фазы не может попасть в область, близкую к условно устойчивой точке, и проходит за минимальное время, а при определенных допусках на точность совпадения фаз этим временем можно пренебречь.

Рассмотрим численный пример.

Пусть относительная полоса захвата b=0.03, нормированное напряжение внешнего источника a=0.15, b/a=0.2, добротность контура Q=50, то есть полоса пропускания контура ω0/2Q составляет 1% от номинала.

Пусть отстройка внешнего источника гармонических колебаний составляет 0.1 от полосы контура, то есть 0.001 от номинала частоты. Теперь можно рассчитать число периодов, за которое фазовый сдвиг между автоколебаниями ДА 2 и ИВК 1 составит 360°. Это число периодов будет 1000 (1/0.01·0.1).

Если, например, измерение фазовым детектором 6 фазового сдвига между автоколебаниями ДА 2 и внешними колебаниями ИВК 1 проводится в течение 20 периодов радиочастоты, фаза изменится от начального значения ϕ до (ϕ+7.2°), так как (360°/1000)·20=7.2°. Фазовый детектор 6 определит среднее значение фазы (ϕ+3.6°) ошибка измерения из-за изменения фазы за 20 периодов составит малую величину, а именно 3.6°. В соответствии с измеренным значением фазы управляемый фазовращатель 8 компенсирует фазовый сдвиг между автоколебаниями ДА 2 и внешними колебаниями ИВК 1, меняя фазу внешних колебаний ИВК 1. Таким образом, в начальный момент времени разность фаз будет близка к нулю. Что означает, установление фазы в режиме захвата будет происходить по кривым α(τЗ, 0), т.е. соответствующим ϕ0=0.

Эффективность работы предлагаемого устройства можно наглядно показать с помощью вышеупомянутых графиков зависимостей разности фаз α(τЗ, ϕ0) между напряжениями ИВК 1 и ДА 2 от времени τЗ при различных начальных фазах ϕ0 для случаев соотношений амплитуд и отстроек: k=0,2 (фиг.2) и k=0,9 (фиг.3).

Для случая, когда малая отстройка, b/a=0.2, в соответствии с фиг.2 установление фазы будет проходить по кривой α(τЗ, 0) от 0° до -10°.

Из графиков, приведенных в [3], а также двух частных случаев фиг.2 и 3 можно заметить, переходный процесс режима захватывания не имеет режимов в окрестности условно устойчивой точки.

Таким образом, предложенное устройство работает эффективно - генерирует гармоническое колебание с малым уровнем шума, но при этом не имеет условно устойчивой точки, в которой время переходного процесса может быть сколь угодно большим. Вследствие чего, уменьшается время перестройки частоты приемников и передатчиков, увеличивается количество прыжков частоты в единицу времени, в устройствах радиоподавления снижается потери времени на генерацию помех на заданных частотах и т.д.

В устройстве применены общеизвестные решения, а именно: фазовые детекторы - [8], [9]. Фазовращатели - [8], [9].

Источники информации

1. Гонорвский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Часть 2. Изд. «Советское радио», М., 1967 г.

2. Мигулин В.В. и др. Основы теории колебаний / В.В.Мигулин, В.И.Медведев, Е.Р.Мустель, В.Н.Парыгин; Под ред. Мигупина В.В. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 392 с.

3. Бокк О.Ф. Режим захвата в автогенераторе // Теория и техника радиосвязи: Науч.-техн. сб. / ВНИИС. - Воронеж, 2003. - Вып.2. - С.126-131.

4. Патент РФ №2329594 «Синтезатор частот», 2008 г.

5. Патент РФ №2329595 «Синтезатор частот», 2008 г.

6. Бокк О.Ф., Слипко С.В.: «Шумы автогенератора на дифференциальном каскаде» // «Теория и техника радиосвязи». Научно-технический сборник, 2003 г., №2.

7. Бокк О.Ф., Слипко С.В.: Теория колебаний (на примере автогенератора). - Воронеж. Изд. - ОАО «Концерн «Созвездие», 2008. - 80 с.: ил.

8. Окунев Ю.Б. Теория фазоразностной модуляции. - М.: Связь, 1979, - 216 с., ил.

9. Горшков Б.И. Радиоэлектронные устройства: справочник. - М.: Радио и связь. 1984, 400 с., ил.

Генератор гармонических колебаний, содержащий источник внешних колебаний, двухрежимный автогенератор и нагрузку, отличающийся тем, что введены первый и второй ключи, генератор временного интервала, фазовый детектор, запоминающее устройство и управляемый фазовращатель, при этом выход источника внешних колебаний соединен с первым входом первого ключа и первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом двухрежимного автогенератора и первым входом второго ключа; выход фазового детектора через запоминающее устройство соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, первый вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход управляемого фазовращателя соединен со входом двухрежимного автогенератора; выход генератора временного интервала соединен с управляющими входами первого ключа, запоминающего устройства и второго ключа, выход которого соединен с нагрузкой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в устройствах, реализованных на основе систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). .

Изобретение относится к области цифрового синтеза частот. .

Изобретение относится к системам фазовой синхронизации и может быть использовано для фазовой автоподстройки и стабилизации частоты генераторов. .

Изобретение относится к радиотехнике, где используются сигналы с угловой модуляцией, для преобразования девиации фазы с любым заданным коэффициентом преобразования.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для преобразования (П) фазы (Ф) с заданным коэффициентом П. .

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при проектировании различных широкополосных измерительных систем для обеспечения сверхширокополосной автоматической синхронизации при проведении измерений.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в широкополосных сотовых системах радиосвязи для корректировки частоты опорного генератора, необходимой для когерентного приема сообщений.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в качестве малошумящего быстро переключаемого по частоте гетеродина приемника и в других устройствах, где требуется быстрая перестройка по частоте при высокой чистоте спектра выходного сигнала

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для слежения за фазой двухкомпонентных сигналов спутниковых навигационных систем

Изобретение относится к устройствам и способам измерения дрожания тактового сигнала

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в приемных устройствах в качестве малогабаритного переключаемого по частоте гетеродина

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах для преобразования частот, модуляции и формирования радиосигналов

Изобретение относится к области радиоавтоматики и может быть использовано в радиотехнических устройствах и системах связи различного назначения для повышения стабильности частот и синхронизации приемной и передающей аппаратуры. Достигаемый технический результат - уменьшение времени захвата в сравнении с устройством фазовой автоподстройки с однозвенным RC-фильтром. Устройство содержит эталонный генератор, перестраиваемый генератор, блок формирования arcsin сигнала; блок формирования sign сигнала; блок формирования модуля; первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой блоки формирования произведения; первый и второй блоки формирования суммы, RC-фильтр, интегрирующий масштабный преобразователь, блок формирования производной и форсирующее звено. 4 ил.
Наверх