Генератор зондирующих сигналов
Полезная модель относится к генераторным трактам акустических эхо-импульсных локаторов. Преимущественная область использования - гидроакустика, ультразвуковая дефектоскопия. Содержит синхронизатор 1, соединенный через импульсный генератор 2, с D-входом D-триггера 3 и генератор синусоидальных сигналов 4 соединенный через компаратор 5 с входами управления второго 6 и третьего 7 D-триггеров, выход второго D-триггера 6 соединен с D-входом третьего D-триггера 7, с управляющим входом D-триггера 3 и с одним из входов первого логического элемента 2И 8, один из входов второго логического элемента 2И 9 соединен с инверсным выходом второго D-триггера 6, а вторые входа логических элементов 8 и 9 соединены с выходом D-триггера 3; инверсный выход третьего D-триггера 7 соединен с D-входом второго D-триггера 6, а выходы логических элементов 8 и 9 соединены с входами усилителя мощности 10. Генератор вырабатывает зондирующие сигналы с постоянной начальной фазой, а также опорные непрерывные сигналы с фазами 0, 90, 180 и 270 градусов, используемые в приемном тракте для оптимальной обработки эхо-сигналов. 2ил.
Полезная модель относится к генераторным трактам акустических эхоимпульсных локаторов. Преимущественная область использования - гидроакустика, ультразвуковая дефектоскопия.
Известен генератор зондирующих сигналов, содержащий синхронизатор, импульсный генератор, генератор синусоидального сигнала и усилитель мощности (см. Ю.С.Кобяков, Н.Н.Кудрявцев, В.И.Тимошенко «Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры». Л. Судостроение, 1986 г. с.181).
Синхронизатор периодически вырабатывает импульсные сигналы, запускающие импульсные генератор, на выходе которого формируются видеоимпульсы заданной длительности, поступающие на управляющий вход генератора синусоидального сигнала и разрешающие его работу. Радиоимпульсы с его выхода поступают на усилитель мощности, а затем на акустический преобразователь.
Причинами препятствующими достижению технического результата являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные тем, что между зондирующими сигналами отсутствует генерация сигнала с частотой зондирующего сигнала необходимого, например, для определения доплеровского смещения частоты эхо-сигналов (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. - М. Пищевая промышленность, 1980, 176 с.), а также двух опорных сигналов с частотой равной частоте зондирующего сигнала и с фазой, сдвинутой на 90° относительно друг друга, необходимых для синхронного детектирования эхо-сигналов и ряда других видов их обработки (см. Банков В.Н. и др. Радиоприемные устройства. - М. Радио и связь, 1984, с.42-43.)
Признаки, совпадающие с заданным объектом: синхронизатор, импульсный генератор, генератор синусоидального сигнала, усилитель мощности.
От ряда перечисленных недостатков свободен генератор зондирующих сигналов, содержащий синхронизатор, импульсный генератор, генератор синусоидального сигнала, аналоговый ключ, усилитель мощности (см. А.А.Хребтов и др. «Судовые эхолоты». Л. Судостроение, 1982 г. с.18-22).
Синхронизатор периодически вырабатывает импульсные сигналы, запускающие импульсный генератор, на выходе которого формируются видеоимпульсы заданной длительности, поступающие на управляющий вход нормально закрытого аналогового ключа, на сигнальный вход которого поступает с генератора синусоидального сигнала непрерывный гармонический сигнал. Видеоимпульс открывает аналоговый ключ, гармонический сигнал проходит через него и поступает на усилитель мощности, а затем на акустический преобразователь.
Причинами препятствующими достижению технического результата являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные тем, что радиоимпульсы, формируемые на выходе аналогового ключа имеют произвольную начальную фазу, находящуюся в интервале 0-2
. Это объясняется тем, что генератор синусоидальных сигналов и синхронизатор работают независимо друг от друга, поэтому передний фронт видеоимпульса, открывающего аналоговый ключ может совпадать с любой частью синусоидального сигнала и поэтому радиоимпульс на выходе ключа может начинаться с любой начальной фазы. Это приводит к тому, что форму формируемого радиоимпульса нельзя точно просмотреть на экране осциллографа (для этого необходимо использовать осциллограф с памятью в режиме просмотра однократного сигнала), эхо-сигналы для разных циклов лоцирования будут иметь произвольную начальную фазу, поэтому после их детектирования получим видеоимпульсы с разной крутизной фронтов, что дает дополнительную погрешность при определении временных интервалов между началом цикла лоцирования и временем прихода эхоимпульса. При подаче зондирующего сигнала с изменяемой начальной фазой на акустический преобразователь, а также эхо-сигналов на избирательные системы резонансных усилителей, будет меняться огибающая и фазовая структура получаемых акустических сигналов и усиленных эхо-сигналов (см. И.Д. Золотарев «Нестационарные процессы в резонансных усилителях фазово-импульсных измерительных систем», Новосибирск, Наука, 1969 г, 176 с.), что также приведет к дополнительным погрешностям при определении времени прихода и амплитуды эхо-сигналов. Кроме того между зондирующими сигналами отсутствуют опорные сигналы с фазой сдвинутой на 90° относительно друг друга, что не позволяет обрабатывать эхо-сигналы используя оптимальные алгоритмы обработки для радиоимпульсов с произвольной начальной фазой.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: синхронизатор, импульсный генератор, генератор синусоидального сигнала и усилитель мощности.
Прототипом заявляемому устройству является «Генератор зондирующих сигналов» по патенту RU2362184 МПК G01S 13/32, опубл. 20.07.2009 г., имеющий наибольшее количество совпадающих признаков с заявляемым устройством, содержащий синхронизатор, соединенный через импульсный генератор с D-входом D-триггера и генератор синусоидальных сигналов соединенный через компаратор с входом управления D-триггера и с сигнальным входом аналогового ключа, вход управления которого соединен с выходом D-триггера, а выход - с входом усилителя мощности.
Синхронизатор вырабатывает периодически повторяющиеся импульсные сигналы, поступающие на вход импульсного генератора 2, на выходе которого вырабатывается видеоимпульс, определяющий длительность формируемого зондирующего сигнала, поступающий на D-вход D-триггера. Генератор синусоидальных колебаний вырабатывает непрерывный гармонический сигнал, поступающий на сигнальный вход нормально закрытого аналогового ключа и на компаратор, на выходе которого получают последовательность видеоимпульсов, соответствующую какой-либо части гармонического сигнала (например, его полуволне положительной полярности), поступающую затем на вход управления D-триггера. На выходе D-триггера формируются видеоимпульсы, начало, и конец которых будут соответствовать передним фронтам видеоимпульсов, формируемых в компараторе. Эти видеоимпульсы поступают на управляющий вход нормально закрытого аналогового ключа, открывают его и на выходе ключа формируются радиоимпульсы, поступающие на вход усилителя мощности, а с его выхода на акустический преобразователь. Гармонический сигнал в радиоимпульсах будет начинаться и заканчиваться всегда с одной и той же фазы, то есть будут формироваться зондирующие сигналы с постоянной начальной и конечной фазой.
Причинами препятствующими достижению технического результата являются ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные тем, что в приемный тракт локатора с генератора зондирующих сигналов подают опорный сигнал только с одной фазой, что является недостаточным для синхронного детектирования эхо-сигналов имеющих случайную начальную фазу. Для выполнения данного детектирования необходимо использовать два опорных сигнала сдвинутых по фазе на 90°. (см. А.Г.Зюко и др. Теория передачи сигналов. М. Радио и связь, 1986, с.189. А.Н.Яковлев, Г.П.Каблов. Гидролокаторы ближнего действия. Л. Судостроение, 1983, с.99. Банков В.Н. и др. Радиоприемные устройства. М. Радио и связь, 1984, с.42-43.). Применение синхронного детектирования сигналов со случайной начальной фазой дает выигрыш в отношении сигнал/ шум порядка 26 дБ (см. Д.М.Ваврив, Г.М.Сучков «Способ обработки информации при скоростном неразрушающем контроле». Дефектоскопия, 
8, 2001, с.50-52), что позволяет увеличить дальность лоцирования, или обнаруживать малоразмерные объекты на тех же дистанциях.
Технический результат достигается тем, что в генератор зондирующих сигналов, содержащий синхронизатор, соединенный через импульсный генератор с D-входом D-триггера и генератор синусоидальных сигналов соединенный с входом компаратора, дополнительно введены два D-триггера и два логических элемента 2И; выход компаратора соединен с управляющими входами второго и третьего D-триггеров, выход второго D-триггера соединен с D-входом третьего D-триггера, с управляющим входом D-триггера и с одним из входов первого логического элемента 2И, один из входов второго логического элемента 2И соединен с инверсным выходом второго D-триггера, а вторые входа логических элементов соединены с выходом D-триггера; инверсный выход третьего D-триггера соединен с D-входом второго D-триггера, а выхода логических элементов соединены с входами усилителя мощности.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема устройства, а на фиг.2 - эпюры напряжений в его различных точках.
Генератор зондирующих сигналов содержит синхронизатор 1, соединенный через импульсный генератор 2, с D-входом D-триггера 3 и генератор синусоидальных сигналов 4 соединенный через компаратор 5 с входами управления второго 6 и третьего 7 D-триггеров, выход второго D-триггера 6 соединен с D-входом третьего D-триггера 7, с управляющим входом D-триггера 3 и с одним из входов первого логического элемента 2И 8, один из входов второго логического элемента 2И 9 соединен с инверсным выходом второго D-триггера 6, а вторые входа логических элементов 8 и 9 соединены с выходом D-триггера 3; инверсный выход третьего D-триггера 7 соединен с D-входом второго D-триггера 6, а выходы логических элементов 8 и 9 соединены с входами усилителя мощности 10.
Синхронизатор 1 вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы U1, поступающие на вход импульсного генератора 2, работающего в ждущем режиме. Видеоимпульсы U1 запускают импульсный генератор 2, и на его выходе вырабатывается видеоимпульс U2, определяющий длительность формируемого зондирующего сигнала. Этот видеоимпульс поступает на D-вход D-триггера 3. Генератор синусоидальных колебаний 4 вырабатывает непрерывный гармонический сигнал U3 с частотой 4f0, поступающий на вход компаратора 5, на выходе которого получают видеоимпульсы U4, соответствующие какой-либо части сигнала U3 (например, его полуволне положительной полярности, как показано на фиг.2), поступающие затем на входы управления второго 6 и третьего 7 D-триггеров. На фиг.2 приведены эпюры для динамических входов управления D-триггеров, активными для которых являются перепады сигнала U4 из нуля в единицу. С выхода второго D-триггера 6 сигнал U5 с частотой f0 поступает на D-вход третьего D-триггера 7, на управляющий вход D-триггера 3, а также на один из входов первого логического элемента 2И 8. С инверсного выхода третьего D-триггера 7 импульсный сигнал U8 поступает на D-вход второго D-триггера 6. На выходах второго 6 и третьего 7 D-триггеров формируются сигналы U5, U6, U7 и U8, имеющие частоту f0 и фазу соответственно 0, 180, 90 и 270 градусов. Эти сигналы поступают в приемный тракт локатора и используются для синхронного детектирования или других видов обработки эхо-сигналов. Напряжение U6 с инверсного выхода второго D-триггера поступает на один из входов второго логического элемента 2И 9, на вторые входа логических элементов 8 и 9 подается напряжение U9, снимаемое с выхода D-триггера 3 и представляющее собой видеоимпульс, начало и конец которого будет соответствовать передним фронтам видеоимпульсов U5. На выходах логических элементов 8 и 9 формируются пачки противофазных импульсных сигналов U10 и U11, поступающие на входа усилителя мощности 10, а с его выхода зондирующий сигнал U12 с постоянной начальной фазой подается на акустический преобразователь. Сигнал в радиоимпульсах U12 будет начинаться и заканчиваться всегда с одной и той же фазы (в данном случае равной нулю), то есть будут формироваться зондирующие сигналы с постоянной начальной и конечной фазой. Сигнал U9 будет соответствовать началу и концу зондирующего сигнала U12 и используется затем в качестве импульса синхронизации, осуществляющего временную привязку рабочих циклов всех блоков эхо-импульсного локатора. Параметры зондирующего сигнала в данном генераторе легко регулируются. Длительность определяется длительностью видеоимпульса U2, а частота заполнения - частотой сигнала U3.
Задачей данного изобретения является расширение эксплуатационных возможностей эхо-локационной системы использующей заявляемый генератор зондирующих сигналов.
Технический результат изобретения заключается в том, что в генераторном тракте наряду с зондирующим сигналом с постоянной начальной фазой, вырабатываются также опорные сигналы с частотой зондирующего сигнала и с фазой 0, 90, 180 и 270 градусов, поступающие затем в приемный тракт локатора и используемые для синхронного детектирования или других видов обработки эхо-сигналов. Следует отметить, что, например, синхронное детектирование эхо-сигналов имеющих случайную начальную фазу дает выигрыш в отношении сигнал/шум порядка 26 дБ (см. Д.М.Ваврив, Г.М.Сучков «Способ обработки информации при скоростном неразрушающем контроле», Дефектоскопия, 8, 2001, с.50-52), что позволяет увеличить дальность лоцирования, или обнаруживать малоразмерные объекты на тех же дистанциях.
Таким образом, в предлагаемом устройстве в результате введения в устройство содержащее синхронизатор, соединенный через импульсный генератор с D-входом D-триггера и генератор синусоидальных сигналов соединенный с входом компаратора, новых блоков и связей: двух D-триггеров и двух логических элементов 2И; выход компаратора соединен с управляющими входами второго и третьего D-триггеров, выход второго D-триггера соединен с D-входом третьего D-триггера, с управляющим входом D-триггера и с одним из входов первого логического элемента 2И, один из входов второго логического элемента 2И соединен с инверсным выходом второго D-триггера, а вторые входа логических элементов соединены с выходом D-триггера; инверсный выход третьего D-триггера соединен с D-входом второго D-триггера, а выхода логических элементов соединены с входами усилителя мощности, значительно расширены эксплуатационные возможности локатора, использующего заявленный генератор зондирующих сигналов.
Реализация предложенного генератора зондирующих сигналов не представляет сложностей, например, синхронизатор можно выполнить на элементах микросхемы К561ЛН2, импульсный генератор и D-триггер на микросхеме К561ТМ2, компаратор - К554СА3, генератор синусоидальных сигналов и усилитель мощности выполняют по схемам достаточно полно описанным в литературе, например (Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. М. Радио и связь. 1997, 320 с.). Усилитель мощности может быть выполнен по известным схемным реализациям с режимами работы «В» или «D» (см. Кибакин В.М. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей мощности. М. Энергия. 1969, 280 с. Изъюрова Г.И., Королев Г.В. и др. Расчет электронных схем. - М. Высш. школа. 1987, 335 с.). Вместо генератора синусоидального сигнала и компаратора возможно использование генератора импульсов с повышенной стабильностью частоты сигнала.
Испытания локаторов, использующих данный генератор зондирующих сигналов проведенные в КБМП "Вектор", показали их преимущество по сравнению с имеющимися реализациями.
Генератор зондирующих сигналов, содержащий синхронизатор, соединенный через импульсный генератор с D-входом D-триггера, и генератор синусоидальных сигналов соединенный с входом компаратора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два D-триггера и два логических элемента 2И; выход компаратора соединен с управляющими входами второго и третьего D-триггеров, выход второго D-триггера соединен с D-входом третьего D-триггера, с управляющим входом D-триггера и с одним из входов первого логического элемента 2И, один из входов второго логического элемента 2И соединен с инверсным выходом второго D-триггера, а вторые входы логических элементов соединены с выходом D-триггера; инверсный выход третьего D-триггера соединен с D-входом второго D-триггера, а выхода логических элементов соединены с входами усилителя мощности.
