Пристрій для формування хвилеподібної напруги

1. Пристрій для формування хвилеподібної напруги, що містить формуючий цифроаналоговий перетворювач (ЦАП), генератор тактових імпульсів, підсумовувальний лічильник, виходи якого зв'язані з відповідними цифровими входами ЦАП, та аналоговий суматор, перший вхід якого зв'язаний з виходом формуючого ЦАП, який відрізняється тим, що в нього введені ланка зворотного зв'язку, включена між виходом формуючого ЦАП і першим входом суматора, комутатор коду і тригер керування, лічильний вхід якого підключений до виходу старшого розряду лічильника, причому другий вхід суматора підключений до шини вхідної опорної напруги, вихід суматора - до опорного входу формуючого ЦАП, вихід тригера керування підключений до керуюючого входу комутатора коду, кодові входи комутатора порозрядно U 2 (19) 1 3 ють почергово: один вузол формує позитивну півхвилю, а другий - негативну, що забезпечує формування двополярної змінної напруги без постійної складової. Недолік цього пристрою полягає в тому, що формування позитивних і негативних півхвиль напруги здійснюється окремими вузлами, ускладнюючи пристрій, та в неможливості генерування напруги з іншою формою півхвиль, крім синусоїдальної. Відомий також пристрій для формування гармонічної (косинусоїдальної) напруги, вибраний як прототип [Мирский Г.Я. Электронные измерения. М.: Радио и связь, 1986, с.382-383, рис.11.10], який містить генератор тактових імпульсів, реверсивний лічильник зі схемами 1 та виходами, підключеними через дешифратор-перетворювач кодів до першого, функціонального ЦАП, вихід якого з'єднаний з першим входом аналогового суматора, вихід якого є виходом пристрою, а також підсумовувальний лічильник, виходи котрого підключені до другого, лінійного ЦАП, вихід якого через комутатор, резистори, схему АБО і схему змінення полярності підключений до другого входу суматора, на третій вхід якого подано напругу зміщення, тригер управління реверсивним лічильником і схемою змінення полярності, виходи якого з'єднані з керуючими входами відповідних схем 1 та входом управління схеми змінення полярності. Спільними ознаками найближчого аналогу і пропонованого пристрою є формуючий ЦАП, генератор тактових імпульсів, підсумовувальний лічильник, виходи якого зв'язані з відповідними цифровими входами ЦАП, та аналоговий суматор, перший вхід якого зв'язаний з виходом формуючого ЦАП. В найближчому аналозі ступінчаста напруга, обвідна сходинок якої є косинусоїдою, формується в результаті додавання крупних сходинок, створених першим ЦАП, висота яких визначається законом обвідної заданої хвилеподібної напруги, тобто законом змінення функціонального коду, що надходить від дешифратора-перетворювача, та дрібних сходинок, утворених другим ЦАП, обвідна яких лінійно змінюється в часі, при цьому величина цих сходинок позитивна при наростанні обвідної крупних сходинок і негативна при спаді цієї обвідної, а сама величина змінюється за допомогою комутатора. Для одержання косинусоїдального сигналу без постійної складової, тобто двополярного змінного сигналу, на третій вхід суматора подається напруга зміщення, рівна цій постійній складовій, але протилежна по знаку. Причиною, що заважає досягненню бажаного технічного результату в прототипі є необхідність перетворення простого лінійного коду реверсивного лічильника в складну закономірність функціонального цифрового керуючого сигналу, що призводить до збільшення апаратурних витрат, які зростають при необхідності змінення форми генерованої напруги, бо для кожної часової закономірності потрібна своя послідовність кодів, створюваних дешифратором-перетворювачем. Прототип не дає можливості генерувати напругу з іншою фор 18810 4 мою півхвилей, крім гармонічної, та оперативно змінювати форму генерованої напруги. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення схеми пристрою шляхом вилучення перетворювача кодів і введення нових вузлів та зв'язків, що забезпечує можливість змінення форми цієї напруги при зменшенні кількості елементів пристрою, тобто його спрощення. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої формування хвилеподібної напруги, що містить формуючий ЦАП, генератор тактових імпульсів, підсумовувальний лічильник, виходи якого зв'язані з відповідними цифровими входами ЦАП, та аналоговий суматор, перший вхід якого зв'язаний з виходом формуючого ЦАП, згідно корисної моделі в пристрій введені ланка зворотного зв'язку, включена між виходом формуючого ЦАП і першим входом суматора, комутатор коду і тригер управління, лічильний вхід якого підключений до виходу старшого розряду лічильника, причому другий вхід суматора підключений до шини вхідної опорної напруги, вихід суматора - до опорного входу формуючого ЦАП, вихід тригера управління підключений до управляючого входу комутатора коду, кодові входи комутатора порозрядно підключені до виходів лічильника, виходи - до відповідних цифрових входів формуючого ЦАП, а вихід формуючого ЦАП з'єднаний з вихідною шиною пристрою. В іншій формі виконання пристрій забезпечений другим тригером, лічильний вхід якого підключений до виходу тригера управління, а вихід - до керуючого входу підсилювача зі змінним знаком підсилення, включеного послідовно в шину вхідної опорної напруги або в вихідну шину пристрою. Ще в одній формі виконання пристрій забезпечений другим тригером, лічильний вхід якого підключений до виходу тригера управління, а вихід до керуючого входу аналогового перемикача, на входи якого подані різнополярні опорні напруги, а вихід підключений до шини вхідної опорної напруги пристрою. Крім того, в одній з форм виконання ланка зворотного зв'язку містить ЦАП, цифрові входи якого підключені до відповідних виходів комутатора коду, опорний вхід з'єднаний з виходом формуючого ЦАП, а вихід служить виходом ланки зворотного зв'язку. Введені нові елементи і зв'язки дозволяють вилучити перетворювач кодів, скоротити кількість елементів схеми пристрою і спростити управління формою генерованої хвилеподібної напруги за рахунок змінення глибини і знака зворотного зв'язку, а також часової залежності коефіцієнта зворотного зв'язку. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де показані: на Фіг.1 - основна структурна схема запропонованого пристрою згідно з п. 1 формули; на Фіг.2 - графіки напруг; на Фіг.3 - структурна схема запропонованого пристрою згідно з пп. 2-4. Як показано на Фіг.1, запропонований пристрій в основному виконанні містить генератор 1 тактових імпульсів, з'єднаний з підсумовувальним лічи 5 льником 2, виходи якого підключені до цифрових входів комутатора коду 3, цифрові виходи котрого з'єднані з відповідними цифровими входами формуючого ЦАП 4. Опорний вхід ЦАП 4 з'єднаний з виходом аналогового суматора 5, між першим входом якого і виходом ЦАП 4 включена ланка 6 зворотного зв'язку. На другий вхід суматора 5 подана напруга Е через шину 7 вхідної опорної напруги. Лічильний вхід тригера управління 8 підключений до виходу старшого розряду лічильника 2. Вихід ЦАП 4 з'єднаний з вихідною шиною 9 пристрою. Сформувати двополярну змінну напругу дозволяє форма виконання пристрою (Фіг.3), яка додатково містить тригер 10, лічильний вхід котрого підключений до відповідного виходу тригера управління 8, а вихід - до керуючого входу підсилювача 11 зі змінним знаком підсилення, включеного послідовно в вихідну шину 9 пристрою. Двополярна змінна напруга буде сформована також, якщо вказаний підсилювач 10 включити послідовно не у вихідну шину 9, а в шину 7 вхідної опорної напруги. В іншій формі виконання пристрою (Фіг.3) вихід тригера 10 підключений до керуючого входу аналогового перемикача 12, на аналогові входи якого подані різнополярні вхідні опорні напруги Е та -Е, а його вихід підключений до шини 7 вхідної опорної напруги (перемикач 12 і його лінії зв'язку показані пунктирною лінією). Крім того, в заявленому пристрої ланка зворотного зв'язку містить ЦАП 13, цифрові входи якого підключені до відповідних виходів комутатора коду 3, опорний вхід з'єднаний з виходом формуючого ЦАП 4, а вихід служить виходом ланки зворотного зв'язку 6 (Фіг.3). Пристрій (Фіг.1) працює наступним чином. На протязі кожного інтервалу часу, рівного чверті періоду формованої хвилеподібної напруги, в міру надходження від генератора 1 імпульсів підсумовувальний лічильник 2 створює на своїх розрядних виходах n-розрядний код, числове значення якого А лінійно наростає в часі від 0 до максимальної величини 2n-1 (Фіг.2). Цей код подається на цифрові входи комутатора коду 3. На протязі першої чверті періоду коефіцієнт передачі Кпер формуючого ЦАП 4, на цифрові входи якого від комутатора коду 3 надходить прямий код лічильника 2, ступінчасте лінійно збільшується від 0 до максимальної величини К: 1 К пер К t Kx , (1) Т/4 t де x - відносний час, що змінюється від T/4 0 до 1. В результаті підсумовування в суматорі 5 вхідної опорної напруги Е постійної величини і напруги U ланки 6 зворотного зв'язку з постійним коефіцієнтом зворотного зв'язку = 0 та перемноження цієї суми на коефіцієнт передачі ЦАП 4 на виході пристрою отримуємо ступінчасте зростаючу в часі напругу (фронт півхвилі): x , (2) U EK 1 0Kx 18810 6 яка проте вже змінюється в часі не по лінійному закону, а по закону, котрий залежить від коефіцієнта зворотного зв'язку та його знака. При позитивному зворотному зв'язку крутизна фронту півхвилі по мірі її зростання збільшується, при негативному - зменшується (на фіг. 2 показані напруги при негативному зворотному зв'язку). В кінці першої чверті періоду лічильник 2 переповнюється, і сигнал зі старшого розряду лічильника перекидає тригер управління 8 в нове положення, при якому з комутатора кодів 3 на протязі другої чверті періоду на цифрові входи формуючого ЦАП 4 надходить інверсний код, числове значення якого А лінійно спадає в часі від максимальної величини до 0. Внаслідок цього коефіцієнт передачі Kпер формуючого ЦАП 4 ступінчасте лінійно зменшується від максимальної величини K до 0: 1 К пер K К t K(1 x ) , (3) Т/4 а на виході пристрою формується ступінчастo спадаюча в часі напруга, симетрична напрузі в першій чверті - спад півхвилі (фіг. 2): 1 x . (4) U EK 1 0K(1 x ) В кінці другої чверті періоду сигнал з виходу старшого розряду лічильника 2 при переході розряду в 0 повертає тригер управління 8 в початковий стан, при якому на ЦАП 4 знову подається прямий код. При наступних півперіодах процеси повторюються - на кожному інтервалі T/2 формуються симетричні півхвилі однієї полярності. В зв'язку з тим, що петльове підсилення Kпер змінюється в часі (на відміну від звичайного зворотного зв'язку, що охоплює чотириполюсник з постійним в часі коефіцієнтом передачі), вплив зворотного зв'язку змінюється на протязі формування півхвилі - і отже глибина зворотного зв'язку впливає на форму генерованої напруги. Позитивний зворотний зв'язок, який охоплює увесь тракт проходження хвилеподібної напруги, збільшує амплітуду півхвилі, загострюючи її вершину, а негативний зменшує амплітуду, сплощуючи вершину. При постійній величині 0=0 півхвиля являє собою трикутник. Змінюючи величину коефіцієнта зворотного зв'язку та його знак, змінюють форму півхвилі напруги. Для отримання двополярної змінної напруги згідно з п.2 формули (Фіг. 3) тригер управління 8 при поверненні в початковий стан в кінці другої чверті періоду перекидає тригер 10 з одного положення в інший. Тригер 10 на протязі однієї півхвилі установлює додатний знак підсилення підсилювача 11, і на вихідній шині 9 пристрою формується півхвиля тієї ж полярності, що і на виході ЦАП 4. На протязі наступної півхвилі підсилення відбувається з інверсією - на виході пристрою формується півхвиля протилежної полярності. Далі процеси повторюються, і пристрій формує безперервну послідовність півхвиль поперемінної полярності. Згідно з п. 3 формули для отримання двополярної змінної напруги служить тригер 10 і анало 7 18810 говий перемикач 12 (фіг. 3). В цьому разі знак коефіцієнта передачі пристрою не змінюється, а перемикач 12 під дією вихідного сигналу тригера 10 почергово на час тривалості півхвилі з'єднує свій вихід, а отже і шину 7, з одним із входів, на які подані різнополярні опорні напруги. В результаті на виході пристрою генеруються півхвилі поперемінної полярності. Форма пристрою (фіг. 3), в якому завдяки введенню в ланку 6 зворотного зв'язку ЦАП 13 коефіцієнт зворотного зв'язку не є постійною в часі величиною, а залежить від коду на виході комутатора коду 3, дозволяє збільшити число форм хвилеподібної напруги. Так при зміненні коефіцієнта зворотного зв'язку в напрямі змінення коефіцієнта передачі формуючого чотириполюсника, тобто за законом наростаючої пили на протязі першої чверті хвилі і за законом зворотної (спадаючої) пили на протязі другої чверті, напруга змінюється за законом: x - на фронті півхвилі, (5) U EK 1 0Kx 2 і за законом: 8 1 x - наспаді. (6) 1 0K(1 x )2 При цьому негативний зворотний зв'язок з модулем петльового підсилення 0K=0,6 забезпечує генерацію формуючим ЦАП 4 двополярної змінної напруги з коефіцієнтом гармонік близько 1,5 %. При зміненні коефіцієнта зворотного зв'язку в напрямі, протилежному зміненню коефіцієнта передачі формуючого чотириполюсника забезпечується генерація симетричної двогорбої форми півхвилі при позитивному зв'язку і генерація півхвилі з гострою вершиною при негативному зв'язку. Формули, які визначають часові закономірності сформованих пропонованим пристроєм півхвиль напруг при різних коефіцієнтах передачі зворотного зв'язку та форми симетричних півхвиль, наведені в таблиці. Комбінуючи за допомогою комутатора кодів різні часові залежності коефіцієнта передачі формуючого ЦАП 4 і коефіцієнта зворотного зв'язку та змінюючи величину і знак , можна генерувати напругу з несиметричними фронтом і спадом півхвилі. U EK Таблиця Закон зміненим напруги, коефіцієнта передачі чотириполюсника і коефіцієнта зворотного зв'язку Перша чверть періоду Друга чверть періоду K пер Kx const 0 U EK U 1 U 0Kx x 0 1 0Kx Kx U 1 EK K пер U x2 0 1 0Kx 2 EK EK EK K пер x) x 0Kx(1 x ) 1 0 1 x EK U x(1 x ) 1 0Kx(1 x ) 1 x 0K (1 x ) 1 x) 1 Kx 0 (1 U 0Kx U 0 K(1 x ) 0 (1 2 1 x 0K(1 x ) 1 EK K пер x EK U const EK 0x U K(1 x ) 0 x EK K пер K пер Форма півхвиль 0K (1 x )2 (1 x )2 0 1 0K(1 x )2 K(1 x ) 0x U U EK 1 x 0Kx(1 x ) 1 EK Запропонований пристрій практично легко реалізувати на стандартних інтегральних мікросхемах, які випускаються промисловістю. 0 1 x(1 x ) 0Kx(1 x ) Комутатор коду 3 можна побудувати на основі різних логічних схем та перемикачів. Найпростіший комутатор-інвертор коду - це набір логічних схем нерівнозначності (виключне АБО), 9 18810 включених послідовно в виходи розрядів лічильника 2. Це основано на тій властивості схеми нерівнозначності, що коли подати на один вхід схеми послідовність імпульсів "0" і "1", а на другий Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 10 вхід - управляючий логічний рівень, то при управляючому рівні "0" послідовність імпульсів проходить на вихід без інверсії, а при рівні "1" - з інверсією. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601