Генератор ортогональных сигналов

" "гйРЕТЕНИ ВИДЕТЕЛ ЬСТВ ТОРСКО ное объединение ство СССР/00, 05,10.83.ии М 2163021,к. 01.04.87.ОНАЛЬНЫХ СИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ(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 171702514 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 ОУ 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 ОУ 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. 5 10 15 20 25 30 35 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 аналоговь 1 е 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 инвертирующимвходам 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, анало 1702514Четвертый операционный усилитель 4, резисторы 12 и 14, а также конденсатор 8 образуют второй двухвходовый инвертиру" ющий интегратор, на пер)вый вход которого поступает напряжение Е 1(Я) с выхода перво го управляемого фаэоврашателя, а на второй вход - напряжение Офг(3) с выхода второго аналогового перемножителя 16,Выходное напряжение четвертого операционного усилителя 4, являющееся 10 выходным напряжением в(торого двухвходового инвертирующего интегратора, описывается выражением где В 8, В 8 -сопротивления шестого и восьмого резисторов 12 и 14;Сг - емкость второго конденсатора 8, 20 На сигнальный вход второго аналогового перемножителя 16 поступает напряжение Оцг(5) с выхода второго двухвходового инвертирующего интегратора, а на управляющий вход - напряж(ение Еу с управля ющего входа генератора ортогональных сигналов. Выходное напряжение второго аналогового перемножителя 16 описывается выражениемОфг(Я) = п 12 Еу 02(5), 30 где п 12- коэффициент передачи второго аналогового перемножителя 16,Второй двухвходовый инвертирующий интегратор и второй аналоговый перемножитель 16 образуют второй управляемый 35 фильтр нижних частот, передаточная функция которого описывается выражением)Ю г(Я)-ф- ф1 + ЯТфгТп 12 ЕуК 2401 +ЗтуггдеКф 2 =В 8/В 9Еф 2= СгВ 8;туг = Тфг/П 12 Еу,45Выходное напряжение второго аналогового перемножителя 16, являющееся выходным напряжением второго управляемого фильтра нижних частот, описывается выражением50Офг(ЯНКфг/ гуг 3+1 Е 1(Я).Второй операционный усилитель 2, резисторы 6, 11 и 19 образуют второй инвертирующий сумматор, на первый вход которого поступает напр)яжение Е 1(я) с вы хода первого управляемого фаэовращателя, а на второй вход - напряжение Офг(3) с выхода второго управляемого фильтра 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 выражениемгде К 21=В 1/В 5, Кгг=В 2/В 10 - коэффициенты передачи второго инвертирующего сумматора по первому и второму входам соответственно;Вг, В 5, В 10 - сопротивления второго, пятого и десятого резисторов 6, 11 и 19 соответственно,При Кф 2= Кф 1=.1 и К 22= 2 второй Управляемый фазовращатель имеет передаточную функцию всепропускающего фильтра первого порядка) (я) = - =-"д -1 + Ту 25коэффициент передачи которого постоянен и равен единице, а сдвиг фазы определяется выражениемд 32 (02) = - 2 агсЩ Огуг )Передаточная функция всепропускающего фильтра первого порядка наиболее просто 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 е 1(т) и ег(т), сдвинутые между собой на 90 О, поступают на первый и второй входы формирователя 17 сигнала обратной связи.. Первый 24 и второй 25 квадраторы осуществляют возведение в квадрат напряжений е 1(1) и ег(т) соответственно, Выходные напряжения 01 и Ог квадраторов 24 и 25, являющиеся входными напряжениями сумматора 20, описываются соответствующими выражениями;01= п 1 е 1(т);Ог= пге г(1),где п 1 и п 2 - коэффициенты передачи первого 24 и второго 25 квадраторов.Напряжение Е на выходе сумматора 20, являющееся входным напряжением для блока 21 извлечения квадратного корня, описывается выражениемЕ=- (К 101+К 202)Выходное напряжение аналоговогоперемножителя 23, являющееся выходнымнапряжением еос формирователя 17сигнала обратной связи, описывается выражениемеос(т)= - Р у Еозп ил,где у - коэффициент передачи аналоговогоперемножителя 23,Обычно коэффициенты передачи аналогового делителя 22 и аналогового перемножителя 23 выбираются из условия Р=10 й у = 0,1, поэтому напряжение обратной связиеос(1)=-Еозп илявляется инвертирующим ю квходному сигналу формир по отношениователя 17. где К 1 и Кг - коэффициенты передачи сумматора 20 по первому и второму входамсоответственно.При К 1=Кг=К и п 1= пг= и выходное напряжение сумматора 20Е=-КпОга 3 и ил+Оа соз ил= - КпОп,г г г г гБлок 21 для извлечения квадратногокорня может быть построен по схеме, в которой в отрицательную обратную связь операционного усилителя включен квадратор,При таком включении входное напряжениеЕ блока 21 извлечения квадратного корняможет быть только отрицательным, чтообеспечивается применением инвертирующего сумматора 20,Опорное напряжение Ооп, являющеесявыходным напряжением блока 21 извлечения квадратного корня, описывается выражениемОоп = а( - Е ) = 1 а Кп йгде а - коэффициент передачи блока 21 извлечения квадратного корня.При выполнении условия а и К1 постоянное напряжение Ооп положительной полярности в точности равно амплитудному значению Огп ортогональных сигналове 1(1) и ег(1). т.е. Ооп=Оа.На первый вход аналогового делителя 22 поступает с выхода блока 21 извлечения квадратного корня опорноенапряжение Ооп, а на второй - напряжение еф)=Огпзп ил.Выходное напряжение аналоговогоделителя 22 описывается выражениемОз=/3 ег(т)/Ооп= /3 Опзгп ил/Оп=/3 згп илгде Р - коэффициент передачи аналоговогоделителя 22.Напряжение Оз с выхода аналоговогоделителя 22 поступает на сигнальный входаналогового перемножителя 23, на управляющий вход которого поступает напряжение(-Ео) с выхода источника 26 опорного напряжения, 25 Отсюда следует, что частота колебаний генератора прямо пропорциональна управляющему напряжению Еу,Из выражений(1) и(2) определяют фазовый сдвиг, осуществляемый первым и вторым управляемыми фазовращателями: 35 у 1(и) = - гагсС 9 у = - гагст у Й 8 С 2 гст 9 )г гу= - гагс 40 дует, что фазовые сдвиги между и колебаниямя е 1(т) и ег(т) не эауправляющего напряжения Еу, таты во колебаний генератора, енстве коэффициентов передачи первого 15 и второго 16 аналогоножителей определяются только ем постоянных времени Тф 1=С 1 В 7 откуда слевыходнымвисят отт,е. От час и при ра 0гп 1=вг=а вых пере ношени Тфг - Сг ВЯ.При равенстве Тф 1=Тфгыполняется при С 1=Сг=С ие сдвиги равны и составл=Тф, чт 87=89= фазо яю Л ортогональностипервом и втором то свидетельствует игналов е 1(е) и ег(1) Таким образом, формирователь 17 сигнала обратной связи выполняет две основные функции: инверсию сигнала ег(т) и стабилизацию амплитуды Огп 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 во в генераторе ортогональных сигналов выполняется условие баланса фазд 21 ( Щ ) + гг ( Ио ) = - ,7 Г (1) 15 или-2 агсщ (иъ т 1) - 2 агстц (илг ) = - .2 г или агс 1 ц сиьт 1 мотг .2 Г1 - иъ ту 1во туг 2 Условие баланса фаз выполняется при во гу 1 иЬ гуг =1, откуда получают выражение для частоты автоколебаний Ио1 Е г, г г 7 С 1р)а 1 щгвыводах генератора и о том, что условие (1) баланса фаз выполняется е рабочем диапазоне частот, определяемом диапазоном изменения управляющего напряжения Еу,Таким образом, изобретение обеспе" чивает:возможность работы генератора в диапазоне низких (1-10 Гц) часот, что особен. но 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 монолит. ной микросхемы.Формула изобретения 1. Генератор ортогональнцх сигналов, содержащий первый - четвертый операционные усилители, первый резистор, который включен между инвертирущим входом и выходом первого операционного усилителя, второй резистор, который включен между инвертирующим входсм 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 соответственно 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 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 резисторы, при этом неинвертирующие входы третьего и четертого операционных усилителей подключены к общей шине, о т л ич а ю щ и й с я 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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 к входу второго блока возведения в квадрат,