Формирователь гармонического сигнала

Авторы патента:

Дубровин Виктор Степанович (RU)

Зюзин Алексей Михайлович (RU)

H03B28/00 - Генерирование колебаний способами, не предусмотренными в группах H03B 5/00-H03B 27/00, включая модификацию формы колебания для получения синусоидальных колебаний (аналоговые генераторы функций для выполнения вычислительных операций G06G 7/26; использование трансформаторов для преобразования формы сигнала в преобразователях переменного тока в переменный H02M 5/18)

Владельцы патента RU 2577205:

Частное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования "Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных объединений" (RU)

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в системах автоматического управления, в измерительных устройствах, в управляемых фазовращателях, а также при построении многофазных генераторов. Достигаемый технический результат - получение на выходе гармонического сигнала при повышении метрологических характеристик при подаче на вход сигнала треугольной формы, частота которого изменяется в широком диапазоне. Формирователь гармонического сигнала содержит первый 1 и второй 2 квадраторы, сумматор 3 , перемножитель 4, блок формирования управляющих импульсов, источник опорного напряжения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Известно устройство (синусный преобразователь) [Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982, рис. 11.26], работающее на принципе кусочной аппроксимации и позволяющее получить квазисинусоидальное напряжение из треугольного сигнала.

К недостаткам устройства следует отнести: высокий коэффициент искажений (0,42% при шести точках излома аппроксимирующей кривой с кусочно-постоянным наклоном); значительная погрешность при большой величине входного сигнала и значительная температурная погрешность формируемого сигнала. При увеличении количества точек излома подобные преобразователи становятся более точными, но и более сложными [Дворников О. Формирователь синусоидального напряжения. Современная электроника, 2008, №6, с. 42-45].

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип управляемый генератор [пат. RU №2506692, МПК⁷ H03B 27/00. Управляемый генератор / Дубровин B.C., заявитель и патентообладатель Дубровин Виктор Степанович. - №2012137334/08; заявл. 31.08.12; опубл. 10.02.14, Бюл. №4], который содержит два перемножителя, два интегратора, релейный элемент, сумматор и блок управления, при этом выход первого интегратора соединен с первым входом второго перемножителя, входом релейного элемента, первым входом блока управления и первым выходом управляемого генератора, выход второго интегратора соединен со вторым выходом управляемого генератора, вторым входом блока управления 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, третий и четвертый входы блока управления соединены соответственно с выходом релейного элемента и шиной опорного напряжения, а выход блока управления соединен с первым входом сумматора.

Блок управления выполнен из трех квадраторов, сумматора, умножителя, ограничителя и инвертора, при этом первый, второй и третий входы сумматора соединены соответственно с выходами первого, второго квадраторов и с выходом инвертора, вход которого соединен с выходом третьего квадратора, причем первый, второй и третий входы блока управления соединены соответственно с входами первого, второго и третьего квадраторов, четвертый вход блока управления соединен со вторым входом перемножителя, первый вход которого соединен с выходом сумматора, между выходом которого и выходом блока управления включен ограничитель.

Устройство предназначено для формирования квадратурных гармонических сигналов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства и получение на его выходе гармонического сигнала с высокими метрологическими характеристиками при подаче на вход сигнала треугольной формы, частота которого изменяется в широком диапазоне.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей предлагаемого устройства за счет введения блока формирования управляющих импульсов и источника опорного напряжения, а также организации новых связей между элементами, что позволило получить на его выходе гармонический сигнал с высокими метрологическими характеристиками при подаче на вход сигнала треугольной формы, частота которого изменяется в широком диапазоне.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в формирователь гармонического сигнала, содержащий первый и второй квадраторы, сумматор и перемножитель, выход которого соединен с выходной шиной формирователя гармонического сигнала, между входной шиной которого и первым входом сумматора включен первый квадратор, при этом выход второго квадратора соединен со вторым входом сумматора, к выходу которого подключен первый вход перемножителя, дополнительно введены блок формирования управляющих импульсов и источник опорного напряжения, плюсовой зажим которого соединен с общей шиной, а минусовой подключен к третьему входу сумматора, причем блок формирования управляющих импульсов включен между управляющей шиной формирователя гармонического сигнала и вторым входом перемножителя, а выход первого квадратора соединен с входом второго квадратора.

Блок формирования управляющих импульсов может быть выполнен из последовательно соединенных дифференцирующего устройства и усилителя-ограничителя, при этом вход и выход блока формирования управляющих импульсов соединены с входом дифференцирующего устройства и выходом усилителя-ограничителя.

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 заявленного изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «новизна».

Введение в предлагаемое устройство блока формирования управляющих импульсов и источника опорного напряжения, а также организация новых связей между элементами позволило получить на его выходе гармонический сигнал с высокими метрологическими характеристиками при подаче на вход сигнала треугольной формы, частота которого изменяется в широком диапазоне.

Изобретение поясняется структурной схемой формирователя гармонических сигналов (фиг. 1) и графиками (фиг. 2 - фиг. 4), поясняющими принцип работы формирователя гармонических сигналов.

Формирователь гармонического сигнала (фиг. 1) содержит первый 1 и второй 2 квадраторы, сумматор 3, перемножитель 4, блок формирования управляющих импульсов 5 и источник опорного напряжения 6, плюсовой зажим которого соединен с общей шиной, а минусовой подключен к третьему входу сумматора 3, к выходу которого подключен первый вход перемножителя 4, выход которого соединен с выходной шиной формирователя гармонического сигнала, между управляющей шиной которого и вторым входом перемножителя включен блок формирования управляющих импульсов 5, при этом первый и второй входы сумматора 3 соединены с выходами соответственно первого 1 и второго 2 квадраторов, причем первый квадратор 1 включен между управляющей шиной формирователя гармонического сигнала и входом второго квадратора 2.

Блок формирования управляющих импульсов 5 может быть выполнен из последовательно соединенных дифференцирующего устройства 7 и усилителя-ограничителя 8, при этом вход и выход блока формирования управляющих импульсов 5 соединены с входом дифференцирующего устройства 7 и выходом усилителя-ограничителя 8.

Формирователь гармонического сигнала работает следующим образом.

На входную шину (фиг. 1) поступает (фиг. 2) линейно-изменяющийся сигнал S(t) с амплитудным значением A, частота f₀ и период T₀ повторения которого связаны следующим соотношением f₀=1/T₀.

Для нахождения аналитических выражений сигнала S(t) используем общее выражение для прямой y=kx+b, проходящей через две точки с координатами (х₁,y₁) и (х₂,y₂)

где x - текущее значение угла в радианах.

Подставив в (1) координаты двух граничных точек [x₁=0, y₁=-A; х₂=π, y₂=А] для первого участка сигнала S(t), получим

Подставив в (1) координаты двух других граничных точек [х₁=π, y₁=A; х₂=2π, y₂=-A] для второго участка сигнала S(t), получим

Для упрощения рассуждений примем, что амплитудные значения сигнала S(t) равны нормированному значению A=A^*=1.

В этом случае

Рассмотрим работу формирователя гармонического сигнала на первом участке при x∈[π;2π]. На выходе первого 1 и второго 2 квадраторов формируются (фиг. 2) соответствующие сигналы

Сумматор 3 является инвертирующим, поэтому на его выходе будет сформирован сигнал

где k₁₁, k₁₂ и k₁₃ - коэффициенты передачи сумматора 3 по соответствующим входам, Е₀ - величина опорного напряжения источника 6.

Виртуальные сигналы L₁(t)=-[k₁₁·V₁(t)] и L₂(t)=[k₁₂·V₂(t)] изображены на фиг. 3,б. В результате суммирования трех сигналов на выходе сумматора 3 формируется (фиг. 3,в) однополярный сигнал M(t), практически совпадающий по форме с гармоническим сигналом.

При k₁₃=1, Е₀=1 и с учетом (5) получим

При x=0 и x=π (фиг. 2)

Из уравнения (7) найдем зависимость между коэффициентами k₁₁ и k₁₂

Подставив значение коэффициента k₁₂ из (8) в уравнение (6`), получим

Максимальное (экстремальное) значение M_max будет (фиг. 3,в) при x=π/2

Формирование прямоугольных биполярных импульсов (фиг. 3) происходит следующим образом.

При поступлении на вход дифференцирующего устройства 7 сигнала треугольной формы S(t) на его выходе формируется (фиг. 3,г) биполярный сигнал прямоугольной формы D(t), амплитудные значения которого D_m будут изменяться с изменением частоты f₀.

Поскольку текущее значение угла x=ωt=2π·f₀·t, то

где τ - постоянная времени дифференцирующего устройства.

При изменении частоты f₀ входного сигнала S(t) в широких пределах (например, в пределах одной декады) амплитудные значения D_m сигнала D(t) также будут изменяться в десять раз. Для исключения подобного явления на выходе дифференцирующего устройства 7 включен усилитель-ограничитель 8, который из сигнала D(t) с изменяющейся амплитудой D_m формирует (фиг. 3, д) биполярный управляющий сигнал прямоугольной формы с постоянными значениями амплитуды, равными нормированному значению E_Уm=±1.

Формирование гармонического сигнала N(t) происходит с помощью фазового модулятора, выполненного из перемножителя 4, на первый вход которого поступает (фиг. 3,в) однополярный сигнал M(t), а на другой - управляющий сигнал E_У(t) с выхода формирователя 5 (фиг. 3,д).

Для оценки погрешности ε(x) найдем разность между сигналом M(x) и М₀(x) для идеальной синусоиды

причем, как следует из (9), величина погрешности будет зависеть от значения коэффициента k₁₁. Минимизация ошибки ε(x) происходит при значении коэффициента k₁₁≈1,2232, при этом коэффициент k₁₂≈0,2232. При нормированном значении амплитуды A^*, равном одному вольту (фиг. 4,а), максимальное значение величины погрешности (фиг. 4,б) примерно равно одному милливольту. Таким образом, на выходе перемножителя 4 формируется гармонический сигнал N(t), коэффициент искажения которого не превышает 0,072% при оптимальных значениях коэффициентов k_11opt=1,2232 и k_12opt=0,2232. Оптимизация коэффициентов и измерение нелинейных искажений производились с помощью блока (THD-Total harmonic distortion) программы PSIM 9.

Использование предлагаемого изобретения позволит расширить функциональные возможности устройства и получить на его выходе гармонический сигнал с высокими метрологическими характеристиками, при подаче на вход сигнала треугольной формы, амплитуда и частота которого изменяются в широком диапазоне.

1. Формирователь гармонического сигнала, содержащий первый и второй квадраторы, сумматор и перемножитель, выход которого соединен с выходной шиной формирователя гармонического сигнала, между входной шиной которого и первым входом сумматора включен первый квадратор, при этом выход второго квадратора соединен со вторым входом сумматора, к выходу которого подключен первый вход перемножителя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены блок формирования управляющих импульсов и источник опорного напряжения, плюсовой зажим которого соединен с общей шиной, а минусовой подключен к третьему входу сумматора, при этом блок формирования управляющих импульсов включен между управляющей шиной формирователя гармонического сигнала и вторым входом перемножителя, а выход первого квадратора соединен с входом второго квадратора.

2. Формирователь гармонического сигнала по п. 1, отличающийся тем, что блок формирования управляющих импульсов выполнен из последовательно соединенных дифференцирующего устройства и усилителя-ограничителя, при этом вход и выход блока формирования управляющих импульсов соединены с входом дифференцирующего устройства и выходом усилителя-ограничителя.

Изобретение относится к средствам контрольно-измерительной аппаратуры и моделирования. Технический результат заключается в обеспечении возможности формирования тестовых сигналов с задаваемым спектром в соответствии со спектральными показателями моделируемых сигналов.

Способ и устройство управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз // 2479005

Изобретение относится к способам и устройствам управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз. .

Способ получения аналогового электрического сигнала модуля ортогональной составляющей вектора одного из двух одночастотных гармонических электрических сигналов // 2408133

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в устройствах релейной защиты и автоматики. .

Устройство для генерации регулируемого импульсного тока // 2352054

Изобретение относится к области электротехники, в частности к генераторам регулируемого импульсного тока, и может быть использовано в медицине при активации гидрофильных и гидрофобных материалов.

Способ формирования команд управления на ракете, вращающейся по углу крена, система управления ракетой, способ преобразования импульсов на ракете, вращающейся по углу крена, и синус-косинусный преобразователь системы управления ракетой // 2351875

Изобретение относится к области вооружения. .

Способ формирования нелинейных сигналов // 2262797

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в автоматизированных измерительных системах. .

Способ изменения свойств материалов и устройство для его осуществления - генератор "эмитоп" // 2102233

Изобретение относится к созданию материалов с заданными свойствами при помощи электрорадиотехнических средств, что может найти применение в химической, металлургической, теплоэнергетической, пищевой и других отраслях промышленности.

Способ генерации электромагнитного поля // 2093950

Изобретение относится к способам генерации импульсных электромагнитных полей и может быть использовано в технике импульсной радиолокации и при испытаниях радиоэлектронной аппаратуры на воздействие мощных электромагнитных полей.

Устройство формирования тактовых сигналов // 2065661

Изобретение относится к области цифровых систем связи и может быть использовано в вычислительных устройствах для обработки данных, где требуется высокая надежность.

Способ коррекции структурных характеристик материалов и устройство для его осуществления // 1748662

Изобретение относится к созданию материалов с заданными свойствами с помощью радиотехнических средств, переносящих данные свойства электромагнитными методами, что может найти применение в электронике, металлургии, биологии, медицине} оптике и других отраслях, где требуются материалы с новыми физическими свойствами и улучшенными характеристиками.

Устройство для генерирования электромагнитных колебаний низкой частоты // 2589378

Устройство для генерирования электромагнитных колебаний низкой частоты включает в себя якорь генератора постоянного тока с последовательным возбуждением, приводимого в движение механическим приводом, который включен последовательно с регулируемым активным сопротивлением, регулируемым конденсатором и трансформатором с целью получения мощных регулируемых электромагнитных колебаний низкой частоты. В контуре, состоящем из якоря генератора последовательного возбуждения, регулируемых активного сопротивления и конденсатора, последовательной обмотки возбуждения и трансформатора при вращении якоря генератора возникают автоколебания тока, энергия которого передается через трансформатор на излучающую антенну и облучает личный состав противника, делая его небоеспособным. При этом возможно инициирование дистанционного взрыва боеприпасов на расстоянии (подрыв вооруженных террористов, разминирование и т.п.), вывод из строя компьютерных систем путем искажения питающего напряжения и осуществление связи на больших расстояниях без искажения сигналов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Синтезатор частот // 2602990

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к синтезаторам частот на основе петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Технический результат заключается в снижении уровня фазовых шумов и побочных дискретных составляющих в спектре выходного сигнала, что в свою очередь повышает качество выходного сигнала, при сохранении высокого разрешения по частоте и широкой полосы перестройки. Синтезатор частот содержит соединенные последовательно умножитель частоты входного сигнала, делитель с фиксированным коэффициентом деления, первую микросхему прямого цифрового синтеза, фазочастотный детектор, первый фильтр низких частот, генератор, управляемый напряжением, контур отрицательной обратной связи, включающий в себя соединенные последовательно смеситель, один из входов которого соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, а второй вход соединен с выходом умножителя частоты входного сигнала, второй фильтр низких частот и вторую микросхему прямого цифрового синтеза, выход которой соединен с входом фазочастотного детектора, и управляющее устройство, выходы которого соединены с входами первой и второй микросхем прямого цифрового синтеза. Изобретение обеспечивает снижение уровня фазовых шумов и дискретных составляющих в спектре выходного сигнала, что, в свою очередь, повышает качество выходного сигнала, при сохранении высокого разрешения по частоте и широкой полосы перестройки. 1 ил.

Резонансный параметрический генератор и способ возбуждения электрических колебаний в резонансном параметрическом генераторе // 2622844

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в резонансных преобразователях электрической энергии на основе параметрических резонансных генераторов. Технический результат - увеличение мощности и стабилизации величины вырабатываемой энергии при изменении нагрузки. Резонансный параметрический генератор содержит две группы катушек самоиндукции, соединенных с емкостью для образования резонансного контура и установленных с зазором соосно напротив друг друга, устройство для изменения параметров резонансного контура, установленное в зазоре соосно между двумя группами катушек и выполненное в виде двусторонних солнечных элементов с p-n переходами, источники оптического излучения, которые соединены с импульсным источником питания, а солнечные элементы соединены с резонансным контуром через преобразователь частоты, резонансный контур соединен со вторым резонансным контуром, который через выпрямитель, сопротивление нагрузки, блок питания и коммутатор соединен линией обратной связи с входом преобразователя частоты. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формирователь несущих колебаний, согласованных со свойствами шумов в канале связи // 2625026

Изобретение относится к электросвязи, к генерации сигналов для передачи информации методами цифровой модуляции, и может быть использовано для формирования несущих колебаний в системах передачи информации. Технический результат - снижение величины среднеквадратической ошибки оценки координат точек сигнального созвездия в присутствии неравномерного аддитивного шума. Формирователь несущих колебаний со свойствами шумов в канале связи содержит тактовый генератор, N ключей, четыре умножителя, сумматор, вычислитель собственных векторов, вычислитель обратной матрицы, усекатель матрицы, вычислитель квадратных корней, формирователь диагональной матрицы, добавитель строк матрицы, вычислитель транспонированной матрицы. 2 ил.