Двухфазный lc-генератор квадратурных гармонических колебаний

Авторы патента:

H03B27 - Генерирование электрических колебаний, обеспечивающее несколько выходных сигналов одинаковой частоты, но отличающихся по фазе, кроме варианта с двумя выходными сигналами, находящимися в противофазе

Владельцы патента RU 2485667:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота" (RU)

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для генерации гармонических колебаний. Достигаемый технический результат - создание LC-генератора двух квадратурных колебаний с фиксированным сдвигом фазы π/2, не изменяющимся при перестройке частоты генерируемых колебаний. Двухфазный LC-генератор квадратурных гармонических колебаний содержит параллельный колебательный LC-контур, двухкаскадный неинвертирующий активный усилительный широкополосный элемент, первый каскад которого должен иметь большое входное сопротивление, а второй каскад должен иметь большое выходное сопротивление, последовательно с катушкой индуктивности L в контуре включен резистивный элемент с малым сопротивлением или его эквивалент, к которому присоединен вход дополнительного широкополосного усилителя, на выходе которого получают гармонические колебания, квадратурные по отношению к гармоническим колебаниям на выходе первого каскада активного элемента. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам формирования (генерации) гармонических электрических колебаний одной частоты с различными фазами.

Уровень техники

Известны методы и устройства формирования (генерации) гармонических электрических колебаний одной частоты с различными фазами (обычно сдвинутыми по фазе на π/2) [1-6], основанные на использовании фазосдвигающих RC-цепей (интегрирующих или дифференцирующих). Это, например, многофазные RC-генераторы в [1], измерительные низкочастотные генераторы квадратурных гармонических колебаний (с фазовым сдвигом π/2) и колебаний сложной формы типа Г6-15, Г6-26 и др. [2]. Генератор трехфазных гармонических колебаний с тремя последовательно включенными интегрирующими RC-усилителями [3], а также RC-генератор с двумя интегрирующими цепочками, конденсаторы в которых заземлены и выполнены в виде сдвоенного переменного конденсатора, обеспечивающего плавную перестройку частоты колебаний с сохранением постоянного сдвига фазы [4]. Такой двухфазный генератор гармонических колебаний с двумя интегрирующими усилителями был запатентован в [5], а в [6] предложен образец такого генератора квадратурных синусоидальных сигналов с малыми нелинейными искажениями, с колебательным звеном на основе двух интеграторов и инвертора, работающий в диапазоне частот от 1 Гц до 200 кГц.

Известные устройства для генерации двухфазных (квадратурных) гармонических колебаний на основе RC-интеграторов, таким образом, могут работать только в диапазоне низких частот (до сотен кГц), что является их главным недостатком. Кроме того, RC-генераторы имеют, как известно, невысокую стабильность частоты.

На более высоких частотах (единицы-десятки МГц) наибольшее распространение для генерации гармонических колебаний получили LC-генераторы на полупроводниковых активных элементах [8]. В них частота генерации задается L и С элементами, образующими резонансный колебательный контур, а перестройка этой частоты осуществляется, как правило, изменением емкости контура (С) при использовании переменного конденсатора или, например, варикапов (при электронной перестройке частоты генерации). При обширном многообразии различных схем LC-генераторов [8, 9] наибольшее распространение получили так называемые «трехточечные» (ТТ) схемы, содержащие, как правило, однотранзисторный активный элемент (биполярный (БТ) или полевой (ПТ) транзистор) и три реактивных элемента (L, С), определяющих не только частоту генерации, но и величину коэффициента обратной связи (положительной, за счет которой и обеспечивается возбуждение колебаний в генераторе). При этом различают индуктивные ТТ схемы (с двумя L и одним С элементами) и емкостные ТТ схемы (с одним L и двумя С-элементами). Однако эти простые ТТ схемы обеспечивают не самую высокую стабильность частоты генерируемых колебаний, которая ограничивается величиной эквивалентной (нагруженной) добротности колебательного L, С-контура О_Э. В ТТ схемах этот контур шунтируется как выходным, так и входным сопротивлениями активного элемента (которое мало у БТ), поэтому величина его эквивалентной добротности О_Э оказывается не очень высокой.

Наименьшее шунтирование LC-контура и, следовательно, наибольшая величина Q_Э достигаются в так называемых «двухточечных» схемах LC-генераторов [8, 9], в которых используется параллельный LC-контур (с «полным» включением) и активный элемент из двух-трех транзисторов. Так, например, в схеме генератора со стабилизатором тока ([8]. - С.104, рис.7.13) используется параллельный LC-контур, подключенный ко входу ПТ. Положительная обратная связь осуществляется через стабилизатор тока на двух ВТ, образующих «токовое зеркало», вход которого подключен к выходу ПТ, а выход подключен к контуру. Стабилизируемый ток регулируется переменным резистором (в цепях эмиттеров БТ). В этой схеме контур шунтируется входным сопротивлением ПТ (которое велико) и выходным сопротивлением генератора стабильного тока (оно тоже велико), поэтому величина О_Э и стабильность частоты этого генератора примерно в 10 раз выше, чем у других подобных генераторов [8]. Похожая (но более простая) схема «двухточечного» LC-генератора приведена в [9] (на с.78, рис.2.31), в которой используется активный элемент на ПТ (по схеме с общим истоком с большим R_ВХ и на БТ (с общим эмиттером с большим R_вых). Эта схема идентична схеме высокостабильного двухточечного генератора из более раннего источника [10], в котором приводятся некоторые экспериментальные данные, подтверждающие гораздо более высокую стабильность частоты (кратковременную) этого генератора по сравнению с ТТ схемами.

Среди многочисленных вариантов схем LC-генераторов, однако, не было найдено генераторов гармонических колебаний квадратурных с двумя выходами с фиксированным сдвигом фазы π/2, сохраняющимся при перестройке частоты генерируемых колебаний.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является создание LC-генератора двух квадратурных колебаний с фиксированным сдвигом фазы π/2, не изменяющимся при перестройке частоты генерируемых колебаний. Способ получения таких колебаний основан на использовании известной взаимосвязи между током в катушке индуктивности ί_L(1) (0 и напряжением на ней u_L(t)=L dί_L/dt (см., например, [7]). При гармоническом воздействии u_L(t)=Ucosωt, в частности (как показано в [7] на с.54), ток ί_L(t)=(U/ωL) sinωt=I_Lcos(ωt-π/2) также (как и u_L) имеет форму гармонического колебания, сдвинутого по фазе на π/2. Поэтому, включив последовательно с катушкой индуктивности L постоянный резистор R с малым сопротивлением (RR<<ωL), получим при гармоническом напряжении на катушке индуктивности L u_L=Ucoscot на резистивном элементе напряжение, пропорциональное току в катушке индуктивности ί_L(t) в виде U_r(t)=R·I_lcos(ωt-π/2) гармонического напряжения, сдвинутого по фазе на π/2. Для реализации этого способа получения квадратурных гармонических колебаний лучше всего подходит рассмотренная выше схема «двухточечного» LC-генератора с полным включением параллельного LC-контура (прототип) [8, 9, 10]. Схема функциональная предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Она содержит колебательный контур 1, включающий в себя катушку индуктивности L и емкостную цепь 2, составленную (в общем случае) из конденсатора постоянной емкости С_о и переменного конденсатора С_П (для перестройки частоты генерируемых колебаний), а также варикапов (для электронной перестройки частоты). Активный элемент генератора 3 включает в себя последовательно соединенные широкополосные усилительные каскады (инвертирующие (оба) или неинвертирующие) 4 с большим входным сопротивлением и 5 (с большим выходным сопротивлением), при этом вход каскада 4 и выход каскада 5 соединены вместе с одним полюсом колебательного контура 1, другой вывод которого соединен с общей шиной общей для контура и усилителей (всех), как показано на фиг.1 Для осуществления положительной обратной связи и возбуждения генератора усилительные каскады 4 и 5 должны вместе обеспечивать достаточное усиление и «нулевой» суммарный фазовый сдвиг φ=0+2πn (где n - целое число) выходных колебаний каскада 5 относительно входных колебаний каскада 4. Имеется также (в общем случае) выходной буферный широкополосный усилительный каскад 6 (инвертирующий или неинвертирующий), вход которого соединен с выходом активного элемента 3 (например, с выходом каскада 4), а выход 7 является одним выходом устройства. Для одновременного получения квадратурных колебаний последовательно с катушкой индуктивности L в контуре включен резистивный элемент 8 R с малым сопротивлением (или его эквивалент), к которому присоединен вход дополнительного широкополосного усилителя 9, к выходу которого (в общем случае) подключен еще и буферный широкополосный выходной усилительный каскад 10 (инвертирующий или неинвертирующий), выход которого образует другой выход устройства 11, гармонический сигнал которого сдвинут по фазе на 90° (π/2) относительно сигнала на выходе 7.

Схема предложенного генератора может быть упрощена при включении в контур последовательно с катушкой индуктивности L входа дополнительного усилителя 9 с малым входным сопротивлением R_ВX (которое будет выполнять функцию резистивного элемента R в схеме на фиг.1), например с входным каскадом, выполненном на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой. Для уменьшения изменения амплитуды колебаний на другом выходе 11 при перестройке частоты (это вытекает из зависимости от частоты амплитуды тока в катушке индуктивности I_L=U/ωL) дополнительный усилитель 9 следует выполнить с цепью автоматической регулировки усиления (АРУ).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства: Справочник. - М.: Радио и связь, 1984. - С.230-232.

2. Справочник по радиоизмерительным приборам. Под ред. В.С.Насонова. - Т.2. Измерение частоты, времени и мощности. Измерительные генераторы. - М.: Сов. радио, 1977. - С.158-165.

3. Ryder A.D.Multiphase low distortion oscillator. Wireless World, lanuary, 1981. P.59-60.

4. Pleass W. Phase - Shifting Oscillator. - Wireless World, June 1983. - P.33.

5. А.с. 1171958 (МКИ⁴), Н03В 27/00 СССР. Двухфазный генератор гармонических колебаний. - Институт химии твердого тела и переработки минерального сырья СО АН СССР / В.И.Кенцин и С.П.Новицкий. - Опубл. 16.12.83, БИ №29.

6. Рыбин Ю.К., Будейкин В.П., Маслов В.А., Фахретдинов П.Р. Генератор синусоидальных сигналов с малыми нелинейными искажениями. - Приборы и техника эксперимента. - 1988. - №6. - С.202.

7. Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - Л.: Энергия, 1972. - С.54.

8. Горошков Б. И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1988. - С.104.

9. Афонский А.А.. Дъяконов В.П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. Серия «Библиотека инженера». Под ред. проф. В.П.Дьяконова. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2007. - С.78.

10. Петин Г. Высокостабильный двухточечный генератор. Радиолюбитель. - 1997. - №7. - С.34.

1. Двухфазный LC-генератор квадратурных гармонических колебаний, содержащий параллельный колебательный LC-контур, частота которого перестраивается за счет изменения емкости С, один вывод которого соединен с общей шиной, а к другому выводу которого присоединен вход двухкаскадного неинвертирующего активного усилительного широкополосного элемента, первый каскад которого должен иметь большое входное сопротивление, а второй каскад должен иметь большое выходное сопротивление, и его выход соединен с другим выводом колебательного LC-контура и с входом первого каскада, отличающийся тем, что последовательно с катушкой индуктивности колебательного контура между одним ее выводом и общей шиной включен резистивный элемент с малым сопротивлением, или его эквивалент, к которому присоединен вход дополнительного широкополосного усилителя, с выхода которого получают гармонические колебания, квадратурные, то есть сдвинутые по фазе на π/2 относительно основных колебаний на колебательном контуре и на выходе первого каскада активного элемента генератора.

2. Двухфазный LC-генератор квадратурных гармонических колебаний по п.1, отличающийся тем, что последовательно с катушкой индуктивности колебательного контура включен вход дополнительного усилителя с малым входным сопротивлением, например, с входным каскадом, выполненным на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой, и этот дополнительный усилитель следует выполнить с цепью автоматической регулировки усиления.

Двухканальный генератор гармонических сигналов // 2413354

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для электропитания звуковоспроизводящей аппаратуры. .

Устройство для формирования гармонического сигнала (варианты) // 2259629

Изобретение относится к устройствам генерирования электрических колебаний, обеспечивающих несколько выходных сигналов, и может быть использовано в устройствах электротехники для формирования двухфазного или трехфазного сигнала задания тока и напряжения электропривода переменного тока, а также к другим областям техники, где необходимо иметь двухфазные либо трехфазные напряжения или токи строго синусоидальной формы, регулируемой частоты с точным 90° или 120° - фазовым сдвигом между ними и возможностью изменения порядка чередования фаз.

Цифровой формирователь четырехфазного гармонического колебания // 2212092

Изобретение относится к области радиотехники и может применяться в вычислительной технике. .

Генератор с раздельной цифровой регулировкой частоты и фазы импульсов // 2168268

Цифровой многофазный генератор // 2066918

Двухфазный генератор гармонических сигналов // 2033684

Изобретение относится к импульсной и измерительной технике и может быть использовано в приборостроении, например в томографии на основе ядерного магнитного резонанса.

Генератор квадратурных колебаний // 1805542

Цифровой генератор трехфазных синусоидальных сигналов // 1797732

Цифровой многофазный генератор // 1750032

Октавный микропотребляющий высокочастотный кмоп генератор, управляемый напряжением // 2485668

Управляемый генератор // 2506692

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано при построении управляемых генераторов. Достигаемый технический результат - уменьшение нелинейных искажений и асимметрии выходных сигналов. Управляемый генератор содержит два перемножителя, два интегратора, нелинейный элемент и сумматор, при этом выход первого интегратора соединен с первым входом второго перемножителя, входом нелинейного элемента и первым выходом управляемого генератора, выход второго интегратора соединен со вторым выходом управляемого генератора и вторым входом сумматора, к выходу которого подключен первый вход первого перемножителя, второй вход которого соединен с управляющей шиной управляемого генератора и вторым входом второго перемножителя, причем выходы первого и второго перемножителей соединены, соответственно, с входами первого и второго интеграторов, а также блок управления, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с первым и вторым выходами управляемого генератора, третий вход блока управления соединен с шиной опорного напряжения, а четвертый вход подключен к выходу нелинейного элемента, при этом выход блока управления соединен с первым входом сумматора. 2 з.п. ф-лы, 11 ил., 2 табл.

Функциональный генератор // 2534939

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в аппаратуре связи, измерительной и вычислительной технике для формирования квадратурных гармонических сигналов нескольких частот и сигналов различной формы одинаковой частоты. Достигаемый технический результат - обеспечение работоспособности при изменении в широких пределах амплитуды квадратурных сигналов. Функциональный генератор содержит источник квадратурных сигналов, первый и второй вычислители модулей, первый и второй квадраторы, сумматор, формирователь биполярных сигналов прямоугольной формы, первый и второй вычитатели, вычислитель амплитуды и делитель. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Функциональный генератор // 2541147

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в аппаратуре связи, измерительной и вычислительной технике для формирования квадратурных гармонических сигналов нескольких частот и сигналов различной формы одинаковой частоты. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей и сохранение высокой линейности сигнала треугольной формы при изменении амплитуды квадратурных гармонических сигналов в широких пределах. Функциональный генератор содержит схему сравнения, перемножитель, первый сумматор, первый и второй управляемые интеграторы, инвертор, релейный элемент, первый и второй квадраторы, второй сумматор, вычислитель квадратного корня, формирователь сигнала треугольной формы. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Управляемый кольцевой генератор импульсов // 2546073

Изобретение относится к электронным схемам и может быть использовано для генерирования множества смещенных по фазе импульсов с управляемой частотой в системах синхронизации и преобразования сигналов. Достигаемый технический результат: расширение диапазона электронной перестройки частоты генерируемых импульсов. Управляемый кольцевой генератор импульсов содержит замкнутую цепь из нечетного количества инвертирующих каскадов, каждый из которых имеет присоединенный к выходу предшествующего каскада первый сигнальный вход для образования основного контура обратной связи и второй сигнальный вход, общее количество каскадов выбирается кратным трем, при этом каждый i-ый каскад выполняется в виде управляемого элемента фазовой интерполяции, у которого второй сигнальный вход подключен к выходу (i-3)-го каскада, входы управления всех элементов фазовой интерполяции соединены с общим зажимом управляющего напряжения. 2 з.п. ф-лы. 3 ил.

Управляемый генератор квадратурных сигналов // 2551824

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано при построении управляемых генераторов. Техническим результатом является повышение спектральной чистоты формируемых квадратурных гармонических сигналов. Устройство содержит два умножителя, два интегратора, два квадратора, два сумматора, инвертор, два делителя, блок извлечения квадратного корня, компаратор, источник опорного напряжения. 3 ил.

Формирователь трехфазных гармонических сигналов // 2553418

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано при построении многофазных генераторов. Достигаемый технический результат - формирование трехфазных гармонических сигналов с фазовыми сдвигами ± 120° между ними при стабильности этих сдвигов при изменении частоты и амплитуды входного сигнала в широких пределах. Формирователь трехфазных гармонических сигналов содержит два резистора, два конденсатора, два повторителя, два компаратора, два одновибратора, два устройства выборки-хранения, делитель, масштабирующий усилитель, инвертор, два управляемых фазовращателя, при этом инвертор включен между входной шиной и первым входом первого управляемого фазовращателя, выход которого соединен со вторым выходом формирователя трехфазных гармонических сигналов, первый выход которого соединен с входной шиной и первым входом второго управляемого фазовращателя, выход которого соединен с третьим выходом формирователя трехфазных гармонических сигналов. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Формирователь квадратурных гармонических сигналов // 2553434

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в многофазных генераторах, а также в устройствах модуляции-демодуляции квадратурных сигналов. Достигаемый технический результат - осуществление синхронизации выходных сигналов с фазой входного сигнала, амплитуда и частота которого могут изменяться в широких пределах. Формирователь квадратурных гармонических сигналов, содержит источник гармонического сигнала, два фазовращателя, два компаратора, два одновибратора, два устройства выборки-хранения, делитель, умножитель, сумматор, выход которого соединен со вторым выходом формирователя квадратурных гармонических сигналов, первый выход которого соединен с входами первого и второго фазовращателей, два резистора, конденсатор, операционный усилитель и масштабирующий усилитель, при этом источник гармонического сигнала включен между входом второго фазовращателя и общей шиной. 2 ил.

Функциональный генератор // 2554571

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в измерительной технике и автоматике. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей путем получения на его выходах наряду с гармоническим сигналом сигналов треугольной формы и биполярных сигналов прямоугольной формы, амплитудные значения которых остаются стабильными при изменении частоты и амплитуды входного сигнала. Функциональный генератор содержит источник гармонического сигнала, первый и второй компараторы, первый и второй одновибраторы, первое и второе устройства выборки-хранения, первый и второй делители, первый и второй сумматоры, инвертор, буферный каскад, первый и второй управляемые интеграторы, третий одновибратор, первый и второй источники опорного напряжения. 3 ил.

Функциональный генератор // 2555241

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в измерительной технике и автоматике. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей путем получения на выходах наряду с гармоническим сигналом сигналов треугольной формы и биполярных сигналов прямоугольной формы, амплитудные значения которых остаются стабильными при изменении частоты и амплитуды исходного сигнала. Функциональный генератор содержит формирователь биполярных импульсов, первый и второй формирователи коротких импульсов, инвертор, первый и второй управляемые интеграторы, схему сравнения, выходной формирователь, источник гармонического сигнала и компаратор. 3 з. п. ф-лы, 2 ил. .