Функциональный генератор

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.

 

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.

Известно устройство [1], содержащее задающий генератор, триггер Шмитта, интегратор и сумматор, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно задающего генератора и триггера Шмитта, вход которого подключен к выходу интегратора, включенного между выходом сумматора и выходом функционального генератора. Устройство формирует сигналы различной формы, кроме синусоидальной.

Известно устройство [2], содержащее источник квадратурных сигналов, два двухполупериодных выпрямителя, сумматор и формирователь биполярных прямоугольных импульсов, причем первый и второй выходы источника квадратурных сигналов соединены соответственно с входами первого и второго двухполупериодных выпрямителей, выходы которых соединены с входами сумматора, к выходу которого подключен формирователь биполярных прямоугольных импульсов, при этом первый, второй и третий выходы функционального генератора соединены соответственно с первым выходом источника квадратурных сигналов, с выходом сумматора и выходом формирователя биполярных прямоугольных импульсов.

Синтезированный сигнал треугольной формы имеет S-образные характеристики как на участке прямого хода (линейно-нарастающее напряжение), так и на участке обратного хода (линейно-спадающее напряжение) и имеет весьма низкую линейность [3], что существенно сужает область практического применения схемы. Кроме того, частота сигнала треугольной формы и биполярного сигнала прямоугольной формы вдвое превышает частоту исходного гармонического сигнала, что не позволяет при фиксированной настройке генератора получить одинаковые значения частот на всех выходах генератора.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип функциональный генератор [4], содержащий источник квадратурных сигналов, первый и второй вычислители модулей, первый и второй квадраторы, сумматор, перемножитель, усилитель и формирователь биполярных сигналов прямоугольной формы, выход которого соединен с третьим выходом функционального генератора, второй выход которого соединен с входом формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы и с выходом сумматора, первый, второй, третий и четвертый входы которого соединены с выходами соответственно первого вычислителя модуля, первого квадратора, второго вычислителя модуля и второго квадратора, при этом к первому выходу источника квадратурных сигналов подключены первый вход перемножителя, а также входы первого вычислителя модуля и первого квадратора, к второму выходу источника квадратурных сигналов подключены второй вход перемножителя, а также входы второго вычислителя модуля и второго квадратора, причем усилитель включен между выходом перемножителя и первым выходом функционального генератора.

В устройстве формируются сигналы синусоидальной, треугольной формы, а также биполярный сигнал прямоугольной формы. Формирование сигнала треугольной формы возможно только при фиксированном (стабильном) значении амплитуды источника квадратурных сигналов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение работоспособности устройства при изменении в широких пределах амплитуды квадратурных сигналов.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в функциональный генератор, содержащий источник квадратурных сигналов, первый и второй вычислители модулей, первый и второй квадраторы, сумматор и формирователь биполярных сигналов прямоугольной формы, выход которого соединен с третьим выходом функционального генератора, первый выход которого подключен к выходу сумматора, при этом к первому выходу источника квадратурных сигналов подключены входы первого вычислителя модуля и вход первого квадратора, ко второму выходу источника квадратурных сигналов подключены вход второго вычислителя модуля и вход второго квадратора, дополнительно введены первый и второй вычитатели, вычислитель амплитуды и делитель, второй вход которого соединен с вторым выходом функционального генератора, с входом формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы и с выходом второго вычитателя, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора и с первым входом вычислителя амплитуды, к выходу которого подключен первый вход делителя, второй вход второго вычитателя соединен с выходом второго квадратора и вторым входом вычислителя амплитуды, при этом первый и второй вход первого вычитателя подключены к выходам соответственно первого и второго вычислителей модуля, а первый и второй входы сумматора подключены к выходам соответственно первого вычитателя и делителя.

При этом вычислитель амплитуды может быть выполнен из второго сумматора и вычислителя квадратного корня, включенного между выходом второго сумматора и выходом вычислителя амплитуды, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым входами второго сумматора.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленному изобретению. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Введение в предлагаемый функциональный генератор двух вычитателей, вычислителя амплитуды и делителя, выполнение вычислителя амплитуды из второго сумматора и вычислителя квадратного корня, а также организация новых связей между функциональными элементами позволило обеспечить работоспособность устройства при изменении в широких пределах амплитуды квадратурных сигналов.

Изобретение поясняется структурной схемой функционального генератора (фиг.1), и графиками (фиг.1-фиг.3), поясняющими принцип работы функционального генератора.

Функциональный генератор содержит источник квадратурных сигналов 1, первый 2 и второй 3 вычислители модулей, первый 4 и второй 5 квадраторы, сумматор 6, формирователь биполярных сигналов прямоугольной формы 7, первый 8 и второй 9 вычитатели, вычислитель амплитуды 10 и делитель 11, второй вход которого соединен с вторым выходом функционального генератора, с входом формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы 7 и с выходом второго вычитателя 9, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора 4 и с первым входом вычислителя амплитуды 10, к выходу которого подключен первый вход делителя 11, второй вход второго вычитателя 9 соединен с выходом второго квадратора 5 и вторым входом вычислителя амплитуды 10, при этом первый и второй вход первого вычитателя 8 подключены к выходам соответственно первого 2 и второго 3 вычислителей модуля, а первый и второй входы сумматора 6 подключены к выходам соответственно первого вычитателя 8 и делителя 11, при этом к первому выходу источника квадратурных сигналов 1 подключены входы первого вычислителя модуля 2 и вход первого квадратора 4, ко второму выходу источника квадратурных сигналов 1 подключены вход второго вычислителя модуля 3 и вход второго квадратора 5, а выход сумматора 6 соединен с первым выходом функционального генератора.

Вычислитель амплитуды 10 выполнен из второго сумматора 12 и вычислителя квадратного корня 13, включенного между выходом второго сумматора 12 и выходом вычислителя амплитуды 10, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым входами второго сумматора 12.

Функциональный генератор работает следующим образом. При включении функционального генератора на выходах источника квадратурных сигналов 1 (фиг.1) после окончания переходного процесса устанавливаются гармонические сигналы, сдвинутые друг относительно друга на 90 эл.град.

где A - амплитуда, а ω₀ - круговая частота сигналов I(t) и Q(t), связанная с циклической частотой f₀ известным соотношением ω₀=2πf₀.

Рассмотрим принцип формирования квазилинейного сигнала треугольной формы N₁(t).

На выходе первого вычитателя 8 формируется квазилинейный сигнал:

где k₁ и k₂ - коэффициенты передачи первого вычитателя 8 по первому и второму входам, соответственно.

С учетом (1) выражение (2) примет следующий вид:

При k₁=k₂=1 амплитуда сигнала S_sint(t) будет равна амплитудному значению A сигналов I(t) и Q(t).

На фиг.2 построены графики, иллюстрирующие принцип формирования синтезированного сигнала S_sint(t), для нормированного значения амплитуды A^*=1. Значение текущего угла x=ω₀t выражено в радианах.

Период Т₀ основной гармоники сигнала S_sint(t) определяется частотой ω₀

T₀=1/f₀=2π/ω₀,

следовательно, частота основной гармоники ω₁ синтезированного сигнала треугольной формы S_sint(t) равна удвоенному значению частоты ω₀ квадратурных сигналов I(t) и Q(t):

ω₁=2ω₀(или f₁=2f₀).

На участках «прямого хода» (от нуля до π/2) и «обратного хода» (от π/2 до π) сигнал S_sint(t) имеет S-образные характеристики, то есть является «квазилинейным».

В прототипе [4] предлагается осуществить линеаризацию сигнала S_sint(t) следующим образом.

Оптимальное значение коэффициента передачи сумматора 6 по первому входу принимается равным 1,25; коэффициент передачи сумматора 6 по второму входу выбирается из условия k₁-k₂=1, откуда:

При подаче корректирующего сигнала S_k1(t) косинусоидальной формы непосредственно на второй вход сумматора 6 с выхода второго вычитателя 9 значительно повышается (более чем в 20 раз) линейность сигнала на первом выходе функционального генератора (фиг.3).

Соотношение (4) справедливо для нормированного (стабильного) значения амплитуды A* квадратурных сигналов I(t) и Q(f). В том случае, если амплитуда А этих сигналов будет изменяться (возрастать или уменьшаться), то выражение (4) не будет корректным и потребует уточнения.

Как следует из уравнения (3) при равенстве коэффициентов k₁=k₂=1 амплитуда A_sint сигнала S_sint(t) будет равна амплитудному значению А сигналов I(t) и Q(f), то есть A_sint=A.

Найдем зависимость амплитуды A_k1 корректирующего сигнала S_k1(t) от изменения амплитуды А квадратурных сигналов I(t) и Q(f).

Алгоритм формирования корректирующего сигнала S_k1(t) основан на известных тригонометрических вычислениях:

где k₃ и k₄ - коэффициенты передачи второго вычитателя 9 соответственно по первому и второму входу;

где m₁ и m₂ - коэффициенты передачи соответственно первого 4 и второго 5 квадраторов.

При совместном решении (5) и (6) получим:

При k₃m₁=k₄m₂=1 выражение (7) упрощается:

где ω₁=2ω₀ - частота гармонического сигнала S_k(t), равная удвоенному значению частоты ω₀ квадратурных сигналов I(t) и Q(t).

Из (8) следует, что в прототипе между изменением амплитуды А квадратурных сигналов I(t) и Q(t) и амплитудой A_k1 корректирующего сигнала S_k1(t) существует нелинейная (квадратичная) зависимость A_k1=A², что не позволяет сохранить высокую линейность сигнала N₁(t) на первом выходе функционального генератора при изменении амплитуды А квадратурных сигналов I(t) и Q(t).

В этом случае значение коэффициента передачи по второму входу сумматора 6 необходимо выбирать, руководствуясь следующим соотношением: k₅A-k₆A²=1, откуда для заданного оптимального значения коэффициента передачи сумматора 6 по первому входу k₅, найдем оптимальное значение коэффициента передачи сумматора 6 по второму входу:

Из (9) возникает необходимость в нелинейной коррекции коэффициента k₆, при изменении амплитуды A квадратурных сигналов I(t) и Q(t), что значительно усложнит практическую реализацию такого корректирующего устройства.

Устранение данного недостатка функционального генератора осуществляется с помощью вычислителя амплитуды 10 и делителя 11.

На выходе второго сумматора 12 формируется сигнал:

где k₇ и k₈ - коэффициенты передачи второго сумматора 12 по первому и второму входам соответственно.

При m₁k₇=m₂k₈=1 выражение (9) упрощается:

Из (11) следует, что на выходе второго сумматора формируется постоянное напряжение E₁, равное квадрату амплитудного значения A.

На выходе вычислителя квадратного корня 13, а, следовательно, на выходе вычислителя амплитуды, будет напряжение E₂=A, которое поступает на первый вход делителя 11. На второй вход делителя 11 поступает сигнал S_k1(t), поэтому на выходе делителя 11, а, следовательно, на втором входе сумматора 6, в этом случае будет сформирован сигнал:

Из (12) следует, что амплитуда A_k2 корректирующего сигнала S_k2(t) всегда будет равна амплитудному значению А квадратурных сигналов I(t) и Q(f), то есть A_k2=A при любых отклонениях амплитуды А от нормированного или любого другого установленного значения.

Работа формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы 6, выполненного, например, из усилителя-ограничителя, пояснений не требует.

Использование предлагаемого изобретения позволит обеспечить работоспособность устройства при изменении в широких пределах амплитуды квадратурных сигналов.

Источники информации

1. Пат. 2221327 Российская Федерация, МПК⁷ H03K 3/02. Функциональный генератор / Ким К.К. и др.; заявитель и патентообладатель «Петербургский государственный университет путей сообщения» - №2001121641/09; заявл. 01.08.01; опубл. 27.06.03, Бюл. №*. - 7 с.: 5 ил.

2. Шустов М. Функциональный генератор. - Радиомир. 2010, №7, с.26-27.

3. Лозицкий С. Схемотехнические САПР: возможности и проблемы эффективного использования. Схемотехника, 2007, №3, с.38-40.

4. Пат. 101291 Российская Федерация, МПК⁷ H03B 27/00. Функциональный генератор / Дубровин B.C., Зюзин A.M.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»). №2010137125/09; заявл. 06.09.2010; опубл. 10.01.11, Бюл. №1. - 8c.: 5 ил.

1. Функциональный генератор, содержащий источник квадратурных сигналов, первый и второй вычислители модулей, первый и второй квадраторы, сумматор и формирователь биполярных сигналов прямоугольной формы, выход которого соединен с третьим выходом функционального генератора, первый выход которого подключен к выходу сумматора, при этом к первому выходу источника квадратурных сигналов подключены входы первого вычислителя модуля и вход первого квадратора, ко второму выходу источника квадратурных сигналов подключены вход второго вычислителя модуля и вход второго квадратора, отличающийся тем, что в него введены первый и второй вычитатели, вычислитель амплитуды и делитель, второй вход которого соединен с вторым выходом функционального генератора, с входом формирователя биполярных сигналов прямоугольной формы и с выходом второго вычитателя, первый вход которого соединен с выходом первого квадратора и с первым входом вычислителя амплитуды, к выходу которого подключен первый вход делителя, второй вход второго вычитателя соединен с выходом второго квадратора и вторым входом вычислителя амплитуды, при этом первый и второй вход первого вычитателя подключены к выходам соответственно первого и второго вычислителей модуля, а первый и второй входы сумматора подключены к выходам соответственно первого вычитателя и делителя.

2. Функциональный генератор по п.1, отличающийся тем, что вычислитель амплитуды выполнен из второго сумматора и вычислителя квадратного корня, включенного между выходом второго сумматора и выходом вычислителя амплитуды, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым входами второго сумматора.