Генератор ортогональных сигналов

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника электрических колебаний. Цель изобретения - повышение стабильности амплитуды выходных колебаний и расширение диапазона рабочих частот. Генератор ортогональных сигналов содержит первый, второй , третий и четвертый операционные усилители (ОУ) 1, 2, 3 и 4, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый резисторы 5, 6, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 18 и 19, первый и второй конденсаторы 7 и 8, первый и второй аналоговые перемножители (АП) 15 и 16. блок 17

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л Н 03 В 27/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4796503/09 (22) 26,02.90 (46) 30.12.91. Бюл, N 48 (71) Научно-производственное объединение

"Силовая электроника" (72) В. С. Дубровин (53) 621,373.42(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1140221, кл. Н 03 В 27/00, 05,10.83.

Патент Великобритании ¹ 2163021, кл. Н 03 В 5/20, опублик. 01.04.87. (54) ГЕНЕРАТОР ОРТОГОНАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

„„. Ы„„1702514 А1 (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника электрических колебаний. Цель изобретения — повышение стабильности амплитуды выходных колебаний и расширение диапазона рабочих частот. Генератор ортогональных сигналов содержит первый, второй, третий и четвертый операционные усилители (ОУ) 1, 2, 3 и 4, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый резисторы 5, 6, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 18 и 19, первый и второй конденсаторы 7 и 8, первый и второй аналоговые перемножители (АП) 15 и 16. блок 17

1702514 формирования сигнала обратной связи.

Блок 17 содержит первый и второй блоки 24 и 25 возведения в квадрат, аналоговый сумматор (АС) 20, блок 21 извлечения квадратного корня, аналоговый делитель (АД) 22, аналоговый перемножитель (АП) 23, источник 26 опорного сигнала. Третий ОУ 3, четвертый и седьмой резисторы 10 и 13, первый

АП 15 и первый конденсатор 7 образуют первый управляемый фильтр нижних частот. первый OY 1, первый, третий и девятый резисторы 5, 9 и 18 образуют инвертирующий сумматор, который с первым управляемым фильтром нижних частот образует первый управляемый фазовращател ь, четвертый OY

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при построении систем управления вентильных злектроприводов и инвертаров.

Цель изобретения — повышение стабильности амплитуды и расширение диапазона рабочих частот.

На чертеже представлена функциональная схема генератора ортогональных. .сигналов.

Генератор ортогональных сигналов содержит первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 операционные усилители, первый резистор 5, который включен между инвертирующим входом и выходом первого операционного усилителя 1, второй резистор 6, который включен между инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя 2, первый 7 и второй 8 конденсаторы, первые выводы которых подключены к выходам соответственно третьего 3 и четвертого 4 операционных усилителей, третий

9 и четвертый 10 резисторы, первые выводы которых объединены, а вторые выводы подключены соответственно к инвертирующему входу первого операционного усилителя 1 и второму выводу первого конденсатора 7, пятый 11 и шестой 12 резисторы, первые выводы которых подключены к выходу первого операционного усилителя 1, а вторые выводы подключены соответственно к инвертирующему входу второго операционного усилителя 2 и второму выводу второго конденсатора 8, седьмой 13 и восьмой 14 резисторы.

Неинвертирующие входы третьего 3 и четвертого 4 операционных усилителей подключены к общей шине.

4, шестой и восьмой резисторы 12 и 14, второй конденсатор 8, второй АП 16 образуют второй инвертирующий интегратор, который с вторым ОУ 2, вторым, пятым и десятым резисторами образуют второй управляемый фаэовращатель, Первый и второй управляемые фазовращатели, а также блок 17 соединены в кольцо и образуют колебательную систему. При этом блок 17 выполняет две основные функции; инвертирование сигнала и стабилизацию амплитуды колебаний, Перестройка частоты осуществляется путем изменения коэффициента передачи сигнала в первом и втором АП 15 и 16. 1 з, и. ф-лы, 1 ил, Генератор ортогональных сигналов включает первый 15 и второй 16 аналоговые перемножители, первые входы которых объединены и являются входом управления частотой, блок 17 формирования сигнала обратной связи, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого 1 и второго 2 операционных усилителей, девятый резистор 18, который включен между выходом первого аналогового перемножителя 15 и инвертирующим входом первого операционного усилителя 1, десятый резистор 19, который включен между выходом второго аналогового перемножителя 16 и инвертирующим входом второго операционного усилителя 2. Вторые входы первого 15 и второго 16 аналоговых перемножителей подключены к выходам соответственно третьего 3 и четвертого 4 операционных усилителей. Кеинвертирующие входы первого 1 и второго 2 операционных усилителей подключены к общей шине. Выход блока формирования сигнала обратной связи подключен к первым выводам третьего 9 и четвретого 10 резисторов. Седьмой резистор 13 включен между выходом первого аналогового перемножителя 15 и вторым.выводом четвертого резистора 10. восьмой резистор 14 — между выходом второго аналогового перемножителя 16 и вторым выводом шестого резистора 12, Вторые выводы четвертого 10 и шестого 12 резисторов подключены к инвертирующим входам соответственно третьего 3 и четвертого 4 операционных усилителей.

Блок 17 формирования сигнала обратной связи содержит последовательно соединенные аналоговый сумматор 20. блок

21 извлечения квадратного корня, анало1702514 говый делитель 22 и аналоговый перемножитель 23, выход которого является выходом блока 17 формирования сигнала обратной связи, первый 24 и второй 25 блоки возведения в квадрат, входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока формирования сигнала обратной связи, а выходы подключены к соответствующим входам аналогового сумматора, источник 26 опорного напряжения, выход которого подключен к второму входу аналогового перемножителя 23, при этом второй вход аналогового делителя 22 подключен к входу второго блока 25 возведения в квадрат.

Генератор ортогональных сигналов работает следующим образом.

Третий операционный усилитель 3, резисторы 10 и 13, а также конденсатор 7 образуют первый двухвходовый инвертирующий интегратор, на первый вход которого поступает напряжение е(т) с выхода формирователя 17 сигнала обратной связи, а на второй вход — напряжение Оф1 с выхода первого аналогового перемножителя 15.

Выходное напряжение третьего операционного усилителя 3, являющееся выходным напряжением первого двухвходового инвертирующего интегратора, описывается выражением

О >(S) = — ((ц дEoL(S) + < > Upi(S))

1 где R4, Ят — сопротивления четвертого и седьмого резисторов 10 и 13;

C1 — емкость первого конденсатора 7;

S — комплексная переменная;

Epp(S), Оф1(5) — напряжения, присутствующие на первом и втором входах первого двухвходового ин ве ртирую щего и нтегратора, На сигнальный вход первого аналогового перемножителя 15 поступает напряжение U<1(S) с выхода первого двухвходового инвертирующего интегратора. а на управляющий вход — напряжение Е„- с управляющего входа генератора ортогональных сигналов. Выходное напряжение первого аналогового перемножителя 15 описывается выражением

Оф1(Я) = гп1ЕуОц1(Я), где п11 — коэффициент передачи первого аналогового перемножителя 15.

Первый двухвходовый инвертирующий интегратор и первый аналоговый перемножитель 15 образуют первый управляемый фильтр нижних частот, передаточная функция которого описывается выражением где

Кф1= R7!R4, 45 Тф1=С1йт; ту1 =Тф1/п11Еу.

Выходное напряжение первого аналогового перемножителя 15, являющееся выходным напряжением первого

50 управляемого фильтра нижних частот, описывается выражением

Оф1(Я)=-(Кф1/(ry1 5+1))Е«().

Первый операционный усилитель 1, резисторы 5, 9 и 18 образуют первый инвертирующий сумматор, на первый вход которого поступает напряжение E«(S) с выхода формирователя 17 сигнала обратной связи, а на второй вход — напряжение Оф1(Я) с выхода первого управляемого фильтра нижних частот.

Первый управляемый фильтр нижних частот и первый инвертирующий сумматор образуют первый управляемый фаэовращатель. Выходное напряжение первого инвертирующего сумматора, являющееся выходным напряжением первого управляемого фазовращателя, описывается выражением

Ei(S) = — (KiiEoc(S) + KszUys(S)) = р<11 К%2 ()) ЕОс(Б), где K»=R1Из, К12=Й1/Й9 коэффициенты передачи первого инвертирующего сумматора по первому и второму входам соответственно;

R1, йз, Rg — сопротивления первого, третьего и девятого резисторов 5, 9 и 18 соответственно, При Кф1= K»= 1 и K12= 2 первый управляемый фазовращатель имеет передаточную функцию всепропускающего фильтра первого порядка коэффициент передачи которого постоянен и равен единице, а сдвиг фазы определяется выражением

Р1 (СО) = — 2arCtg (жту1)

Передаточная функция всепропускающего фильтра первого порядка наиболее просто реализуется при условии, что величины сопротивлений резисторов 5, 9, 10 и

13 равны между собой, а сопротивление резистора 18 в два раза меньше сопротивления резистора 5.

1702514

Четвертый операционный усилитель 4, резисторы 12 и 14, а также конденсатор 8 образуют второй двухвходовый инвертирующий интегратор, на первый вход которого поступает напряжение E 1(S) с выхода перво- 5 го управляемого фаэоврашателя, а на второй вход — напряжение U@2(S) с выхода второго аналогового перемножителя 16.

Выходное напряжение четвертого операционного усилителя 4, являющееся 10 выходным напряжением в(торого двухвходового инвертирующего интегратора, описывается выражением

U„2(S) = — (-Р Е ЕВ(Б) (- -Р— —.()Ве(В)), где Ве, Rs -сопротивления шестого и восьмого резисторов 12 и 14;

C2 — емкость второго конденсатора 8, 20

На сигнальный вход второго аналогового перемножителя 16 поступает напряжение U<2(S) с выхода второго двухвходового инвертирующего интегратора, а на управляющий вход — напряжение Еу с управля- 25 ющего входа генератора ортогональных сигналов. Выходное напряжение второго аналогового перемножителя 16 описывается выражением

Офг(Я) = m2EyUu2(S), 30 где m2 — коэффициент передачи второго аналогового перемножителя 16, Второй двухвходовый инвертирующий интегратор и второй аналоговый перемножитель 16 образуют второй управляемый 35 фильтр нижних частот, передаточная функ ция которого описывается выражением

W г(Я)— фЕ1 + ЯТфг7)т)г Е„

Кф2 40

1 + туг где

Кфг =йэ/Rg;

Ефг= Сгиба: туг = Тфг/)т)2Еу.

Выходное напряжение второго аналогового перемножителя 16, являющееся выходным напряжением второго управляемого фильтра нижних частот, описывается выражением

0фг(Б)= Кфг/ гуг 8+1))Е1(Я).

Второй операционный усилитель 2, резисторы 6, 11 и 19 обрээук)т второй инвертирующий сумматор, на первый вход которого поступает напряжение E1(S) с вы- 55 хода первого управляемого фаэовращателя, Э на второй вход — напряжение Uy2(S) с выхода второго управляемого филырэ нижних частот.

Второй управляемый фильтр нижних частот и второй инвертирующий сумматор образуют второй управляемый фаэовращатель, Выходное напряжение второго инвертирующего сумматора, являющееся выходным напряжением второго управляемого фазовращателя, опиСывается выражением

Ез(В) — (Е Е (S) + (u«(S)) — (V — Е (— фВ)) Е (В) где K21=R1/Rs, K22=R2/R 1o — коэффициенты передачи второго инвертирующего сумматора по первому и второму входам соответственно;

R2, Rs, R10 — сопротивления второго, пятого и десятого резисторов 6, 11 и 19 соответственно, При Кф2= Кф1««1 и К2г= 2 второй Управляемый фазовращатель имеет передаточную функцию всепропускающего фильтра первого порядка

w,ls) = -. жЕ

1 + tòy2S коэффициент передачи которого постоянен и равен единице, а сдвиг фазы определяется выражением

«),"2 (ш) = — 2агсщ (т гуг )

Передаточная функция всепропускающего фильтра первого порядка наиболее

IpocTo реализуется при условии, что величины сопротивлений резисторов 6, 11, 12 и

14 равны между собой, а сопротивление резистора 19 в два раза меньше сопротивления резистора 6.

С первого и второго выходных выводов генератора ортогональиых сигналов напряжения е1(т) и ег(т), сдвинутые между собой на

90О, поступают на первый и второй входы формирователя 17 сигнала обратной связи.

- Первый 24 и второй 25 квадраторы осуществляют возведение в квадрат напряжений е1(1) и ег(т) соответственно. Выходные напряжения U1 и U2 квадраторов 24 и 25, являющиеся входными напряжениями сумматора 20, описываются соответствующими выражениями;

01= П1Е 1(t);

U2= п2е 2(t), где п1 и n2 — коэффициенты передачи первого 24 и второго 25 квадраторов.

Напряжение Е на выходе сумматора

20, являющееся входным напряжением для блока 21 извлечения квадратного корня, описывается выражением

Е=- (K1U1+K2U2).

1702514 i 0 где К> и Кг — коэффициенты передачи сумматора 20 по первому и второму входам соответственно.

При К1=К2=К и n1= ng= n выходное напряжение сумматора 20

Е=-Кп0 sin un+Urn cos on)= -KnUm .

2 2 2 2 2

Блок 21 для извлечения квадратного корня может быть построен по схеме, в которой в отрицательную обратную связь операционного усилителя включен квадратор, При таком включении входное напряжение

Е блока 21 извлечения квадратного корня может быть только отрицательным, что обеспечивается применением инвертирующего сумматора 20.

Опорное напряжение 0оп, являющееся выходным напряжением блока 21 извлечения квадратного корня, описывается выражением

Uon =À(2(— E) =YcxKn Um где а — коэффициент передачи блока 21 извлечения квадратного корня.

При выполнении условия а . n . К

1 постоянное напряжение Uon положительной полярности в точности равно амплитудному значению Um ортогональных сигналов

Е1(1) И e2(t), т.Е. Uon=Um.

На первый вход аналогового делителя 22 поступает с выхода блока 21 извле чения квадратного корня опорное напряжение Uon, а на второй — напряжение ez(t)=Umsin ил.

Выходное напряжение аналогового делителя 22 описывается выражением

0З=р Ег(т)/Uon= /3 UmSin иЛ/Um=/2 Sin иЛ., где P — коэффициент передачи аналогового делителя 22.

Напряжение Оз с выхода аналогового делителя 22 поступает на сигнальный вход аналогового перемножителя 23, на управляющий вход которого поступает напряжение (-Ео) с выхода источника 26 опорного напряжения, Выходное напряжение аналогового перемножителя 23, являющееся выходным напряжением еос() формирователя 17 сигнала обратной связи, описывается выражением

eo<(t)= — PуЕ sin ил, где ) — коэффициент передачи аналогового перемножителя 23, Обычно коэффициьчты передачи аналогового делителя 22 и аналогового перемножителя 23 выбираются из условия /2

=10 и 7 = 0,1, поэтому напряжение обратной связи ео (т)=-Eosin ил является инвертирующим по отношению к входному сигналу формирователя 17.

Отсюда следует, что частота колебаний генератора прямо пропорциональна управляющему напряжению Åy.

Из выражений (1) и(2) определяют фазовый сдвиг, осуществляемый первым и вторым управляемыми фазовращателями:

/>1 (co) = — 2агстд = — 2мсщ

Zy2 у RSC2

Р2 (й>) = — 2arCtg Z2 = — 2агСщ

40 г„1

2Еу откуда следует, что фазовые сдвиги между выходными колебаниямя 81(t) и 82(t) не зависят от управляющего напряжения Еу, т,е. от частоты o)o колебаний генератора, и при равенстве коэффициентов передачи

m<=mz=m первого 15 и второго 16 аналоговых перемножителей определяются только отношением постоянных времени Тф1=С1й7 и Тф2=С2RB.

При равенстве Тф1=Тф2=Тф, что легко

55 выполняется при С1=С2=С и R7=Rg=R, фазовые сдвиги равны и составляют

Л

2 что свидетельствует об ортогональности сигналов е1(е) и ez(t) на первом и втором

Таким образом, формирователь 17 сигнала обратной связи выполняет две основные функции: инверсию сигнала е2() и стабилизацию амплитуды Um генератора

5 ортогональных сигналов.

Первый и второй управляемые фаэовращатели, а также формирователь 17 сигнала обратной связи, соединенные в кольцо, образуют колебательную систему.

10 В режиме установившихся колебаний на частоте (oo в генераторе ортогональных сигналов выполняется условие баланса фаз р1 (в, ) + + (и, ) = —.2г (1)

15 или

-2агсщ (в, Tyi ) — 2агсто (ин„2 ) = —.2г или

arctg (В, т 1 Wo t: г .2Г

1 — и ту в туз 2

Условие баланса фаз выполняется при т, гу1 со, Ty2 —— 1, откуда получают выражение для частоты автоколебаний

ojo

1 E г„1 г 2 R7C1 р) т1 п 2 .(2) 1 02514

12 выводах генератора и о том, что условие (1) баланса фаз выполняется е рабочем диапазоне частот, определяемом диапазоном изменения управляющего напряжения Еу, Таким образом, изобретение обеспечивает: возможность работы генератора в диапазоне низких (1-10 Гц) час от, что особенно важно для генераторов модулирующей функции, применяемых в системах управления асинхронных частотно-регулируемых электроприводов; воэможность электронной перестройки генератора по частоте и амплитуде; повышенную надежность генератора, поскольку для перестройки по частоте используются электронные компоненты (аналоговые перемножители сигналов), а не потенциометры. имеющие весьма низкие показатели надежности; незначительные нелинейные искажения выходных колебаний, поскольку в стабилизаторе амплитуды отсутствуют такие нелинейные элементы, как диоды и полевые транзисторы; высокое быстродействие системы регулирования (стабилизации) выходных коле-. баний, поскольку датчик напряжения, выполненный из двух квадратов, сумматора и блока извлечения квадратного корня, позволяет получить постоянное напряжение без пульсаций, не применяя инерционных сглаживающих фильтров; воэможность выполнения генератора в интегральном исполнении в виде монолитной микросхемы.

Формула изобретения

1. Генератор ортогональных сигналов, содержащий первый — четвертый операционные усилители, первый резистор, который включен между инвертирущим входом и выходом первого операционного усилителя, второй резистор, который включен между инвертирующим входам и выходом второго операционного усилителя, первый и второй конденсаторы, первые выводы которых подключены к выходам соответственно третьего и четвертого операционных усилителей, третий и четвертый резисторы, первые выводы которых объединены, а вторые выводы подключены cooTBBTcòâåHHD к инвертирующему входу первого операционного усилителя и второму выводу первого конденсатора, пятый и шестой резисторы, первые выводы которых подключены к выходу первого операционного усилителя, а вторые выводы подключены соответственно к инвертирующему входу второго операционного усилителя и второму выводу второго конденсатора, седьмой и восьмой

55 резисторы, при этом неинвертирующие входы третьего и четертого операционных усилителей подключены к общей шине, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения стабильности амплитуды и расширения диапазона рабочих частот, в него введены первый и второй аналоговые перемножители, первые входы которых объединены и являются входом управления частотой, блок формирования сигнала обратной связи, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго операционных усилителей, девятый резистор, который включен между выходом первого аналогового перемножителя и инвертирующим входом первого операционного усилителя, десятый резистор, который включен между выходом второго аналогового перемножителя и инвертирующим входом второго операционного усилителя, при этом вторые входы первого и второго аналоговых перемножителей подключены к выходам соответственно, третьего и четвертого операционных усилителей, неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей подключены к общей шине, выход блока формирования сигнала обратной связи подключен к первым выводам третьего и четвертого резисторов, седьмой резистор включен между выходом первого аналогового перемножителя и вторым выводом четвертого резистора. восьмой резистор включен между выходом второго аналогового перемножителя и вторым выводом шестого резистора, вторые выводы четвертого и шестого резисторов подключены к инвертирующим входам соответственно третьего и четвертого операционных усилителей.

2, Генератор по и. 1, отличающийся тем, что блок формирования сигнала обратной связи содержит последовательно соединенные. аналоговый сумматор, блок извлечения квадратного корня, аналоговый делитель и аналоговый перемножитель, выход которого является выходом блока формирования сигнала обратной связи, первый и второй блоки возведения в квадрат, входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока формирования сигнала обратной связи, а выходы подключены к соответствующим входам аналогового сумматора, источник опорного напряжения, выход которого подключен к второму входу аналогового перемножителя, при этом второй вход аналогового делителя подключен r, входу второго блока возведения в квадрат,