СТАБИЛИЗАТОР КВАДРАТУРНЫХ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Аннотация

Рассмотрена структурная схема двухканального стабилизатора гармонических сигналов. В качестве входного источника сигналов может быть использован управляемый генератор и формирователь квадратурных сигналов. Предложенный стабилизатор может быть использован в устройствах радиоэлектроники, автоматики, системах связи, преобразовательной техники. Используемые решения защищены несколькими патентами Российской Федерации.

Ключевые слова: структурная схема; квадратурные сигналы; делитель. Постановка задачи

Электронные генераторы [3, 4, 10] и формирователи [1, 5, 6, 9] квадратурных гармонических сигналов находят широкое применение в радиоэлектронике, автоматике, системах связи. По мере развития и совершенствования элементной базы были предложены многочисленные схемотехнические решения построения генераторов квадратурных сигналов, обеспечивающих стабильность амплитуды в пределах 1-3% при коэффициенте нелинейных искажений 0,5-3% [7].

В современных областях техники и при научных исследованиях требуются источники квадратурных гармонических сигналов со стабильностью порядка 0,01-0,1% при нелинейных искажениях 0,005-0,05%.

Вместе с высокими требованиями к статическим параметрам предъявляются также высокие требования и к динамическим характеристикам таких генераторов. Задача одновременного достижения высоких требований стабильности амплитуды и малого уровня нелинейных искажений в статических и динамических режимах является задачей достаточно сложной.

Современным подходом к построению стабилизаторов амплитуды с высокими метрологическими характеристиками является разработка стабилизаторов на основе замкнутых систем автоматической стабилизации амплитуды.

Наиболее распространенный способ стабилизации амплитуды квадратурных сигналов заключается в использовании векторного вычислителя амплитуды в качестве измерительного датчика. Векторный вычислитель работает по следующему алгоритму: сначала входные сигналы стабилизатора возводятся в квадрат, затем суммируются и из полученной суммы извлекается корень квадратный. В этом случае измеренное напряжение будет в точности равно амплитудному значению квадратурных сигналов только при равенстве амплитудных значений квадратурных сигналов.

Устройства стабилизации, работающие на принципе векторного вычисления амплитуды, прекрасно работают при равенстве амплитудных значений квадратурных сигналов и при точном соблюдении фазовых сдвигов между квадратурными составляющими [1, 3, 4, 10].

В статических и, особенно, в динамических режимах при пуске и перестройке частоты генератора квадратурных сигналов неизбежно возникают «перекосы» амплитудных значений. Следовательно, при асимметрии амплитудных значений квадратурных сигналов напряжение на выходе измерительного датчика кроме постоянной (полезной) составляющей будет иметь еще и переменную (паразитную) составляющую, которая приводит к дополнительным искажениям стабилизируемых сигналов, то есть увеличению нелинейных искажений стабилизируемых сигналов.

Двухканальный стабилизатор амплитуды [2, 8], работающий на принципе замкнутой системы автоматической стабилизации амплитуды, обладает высоким быстродействием, но для реализации высокой точности стабилизации амплитуды требуется большой коэффициент усиления в цепи обратной связи. Причем значительное увеличение коэффициента усиления может привести к неустойчивой работе стабилизатора, как замкнутой системы регулирования, то есть к его самовозбуждению. Поэтому необходим компромисс между желаемой точностью стабилизации и выбором коэффициента усиления усилителя.

Стабилизаторы амплитуды [1, 3, 4, 10], использующие векторный вычислитель, обладают высоким быстродействием, как в пусковом режиме, так и при мгновенных переключениях с одной частоты на другую, но требуют большого количества прецизионных перемножителей сигналов, определяющих стоимостные показатели устройства в целом. Кроме того такие стабилизаторы практически не работают при значительной асимметрии амплитудных значений квадратурных сигналов, что характерно для некоторых формирователей.

Основная часть

Задача заключается в построении простого двухканального стабилизатора амплитуды, обеспечивающего необходимую точность стабилизации в статических и динамических режимах при минимальных искажениях сигналов.

Структурная схема быстродействующего двухканального стабилизатора гармонических сигналов приведена на рисунке. В состав стабилизатора входят: источник квадратурных сигналов (ИКС), два компаратора (К1 и К2), два одновибратора (ОВ1 и ОВ2), два устройства выборки-хранения (УВХ1 и УВХ2) и два делителя (Д1 и Д2).

Рис.1. Структурная схема стабилизатора

Компаратор К1 и одновибратор ОВ1 образуют формирователь стробирующих импульсов (ФСИ1), а компаратор К2 и одновибратор ОВ – формирователь стробирующих импульсов (ФСИ2).

Устройство выборки-хранения УВХ1 и ФСИ1 составляют первый пиковый детектор (ПД1), а второе УВХ2 и второй ФСИ2 образуют второй пиковый детектор (ПД2).

Таким образом, при подаче на входы стабилизатора гармонических сигналов S1 (t) и S2 (t) даже со значительной амплитудной асимметрией на его выходах формируются стабильные по амплитуде сигналы N1 (t)и N2 (t) .

Выводы

1.      Предлагаемый стабилизатор амплитуды гармонических колебаний обеспечивает высокую точность поддержания на одном уровне амплитудных значений канальных выходных сигналов даже в случае значительных отклонений входных сигналов, как в статических, так и динамических режимах.

2.      Стабилизатор может быть использован при построении прецизионных формирователей и генераторов для устройств радиоэлектроники, автоматики, систем связи.

3.      Стабилизатор может быть выполнен в интегральном или гибридном исполнении с использованием аналоговых перемножителей (например, таких как 525ПС3), не требующих наличия подстроечных элементов.

Список литературы

1.      Дубровин В. С. Безынерционная система управления формирователя квадратурных гармонических сигналов / В. С. Дубровин, В. В. Никулин, А. В. Никулин // Измерительная и вычислительная техника в технологических процессах. Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технологiчних процессах. Measuring and Computing Devices in Technological Processes. 2013. № 2 (43). С. 98-101.

2.      Дубровин В. С. К расчету эффективности двухканального стабилизатора амплитуды / В. С. Дубровин // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП-2010) : Материалы 7-й Всероссийской научно-технической конференции 6-7 октября 2010 года / Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. – С. 44–48.

3.      Дубровин В. С. Многоконтурная система стабилизации управляемого генератора / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // Вестник Астраханского  государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. – 2013. – № 1. – С. 74–82.1.

4.      Дубровин В. С. Система стабилизации управляемого генератора на базе квазиконсервативного звена / В. С. Дубровин // Южно-сибирский научный вестник. – Бийск, 2012. – Вып. 2. – С. 30–34.

5.      Дубровин В. С. Управляемый формирователь квадратурных гармонических сигналов / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. – Йошкар-Ола, 2013. – № 1 (17). – С. 5–11.

6.      Дубровин В. С. Формирователь квадратурных сигналов / В. С. Дубровин // Южно-сибирский научный вестник. – Бийск, 2012. – Вып. 2 (2). – С. 35–38.

7.      Вавилов А.А. Низкочастотные измерительные генераторы / А.А.Вавилов, А.И. Солодовников, В.В. Шнайдер. – Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1985. -104с.

8.      Пат. 101219 Российская Федерация, МПК7 H 03 B 27/00. Двухканальный стабилизатор амплитуды / В. С. Дубровин // Дубровин В. С., Зюзин А. М. ; 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»). – № 2010136499/08 ; заявл. 30.08.10 ; опубл. 10.01.11, Бюл. № 1. – 1 с. : 1 ил.

9.      Пат. 127554 Российская Федерация, МПК7  H 03 B 27/00. Формирователь квадратурных сигналов / Дубровин В. С., Зюзин А. М. ; 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»). – № 2012138489/08 ; заявл. 07.09.12 ; опубл. 27.04.13, Бюл. № 12. – 1 с. : 2 ил.

10.   Пат. 2506692 Российская Федерация, МПК7 H 03 B 27/00. Управляемый генератор / Дубровин В. С. ; заявитель и патентообладатель Дубровин Виктор Степанович. – № 2012137334/08 ; заявл. 31.08.12 ; опубл. 10.02.14, Бюл. № 4. – 15 с. : 11 ил.