CC BY
67
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2016 ISSN 2410-700X_
УДК 621.373.1
Дубровин Виктор Степанович,
доцент кафедры ИКТСС ФГБОУ ВПО «Мордовский национальный исследовательский университет им. Н.П. Огарёва», г. Саранск, РФ
E-mail: vsdubrovin13@mail.ru
БЕЗ ФИЛЬТР ОВЫЙ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА
Аннотация
Предложен новый способ формирования гармонического сигнала из линейно изменяющегося сигнала треугольной формы. Даны рекомендации по выбору оптимальных значений коэффициентов суммирующего блока формирователя, обеспечивающих минимизацию нелинейных искажений формируемого гармонического сигнала. Результаты расчетов проверены на математической модели в среде PSIM 9.
Ключевые слова
Функциональный генератор, формирователь, структурная схема, нелинейные искажения, оптимизация коэффициентов
Введение.
Прежде чем рассмотреть безфильтровые способы формирования гармонического сигнала рассмотрим [1-6] основные способы построения функциональных генераторов (ФГ).
1. Классический принцип построения ФГ. Сигналы прямоугольной и треугольной формы получаются как результат работы релаксационного генератора [1, 2]. Для получения квазисинусоидального напряжения приходится использовать специальный нелинейный преобразователь [2, 7], создание которого является достаточно сложной технической задачей. Следует отметить, что даже при современном уровне развития нелинейных преобразователей не удается получить синусоидальное напряжение с коэффициентом гармоник много меньше 1% в достаточно широком диапазоне частот — от долей Гц до нескольких МГц [1].
2. Способ построения ФГ, основанный на формировании линейно-изменяющегося сигнала треугольной формы из двух квадратурных гармонических сигналов, сдвинутых друг относительно друга на 90 (270) электрических градусов [5, 6].
Основой подобных ФГ являются источники квадратурных гармонических сигналов, в качестве которых могут быть применены генераторы квадратурных гармонических сигналов [8-11], либо формирователи квадратурных сигналов [12-15], либо однофазные генераторы с применением управляемых фазовращателей [16-19]. Синтезированный сигнал обладает недостаточной линейностью [20-24], поэтому применяются различные блоки коррекции для повышения линейности сигнала треугольной формы [25-28], что, несомненно, усложняет реализацию устройства в целом.
Целью является построение безфильтрового формирователя гармонического сигнала, предназначенного для использования в управляемых функциональных генераторах, способного работать в условиях широкодиапазонного изменения частоты входного сигнала и имеющего незначительный коэффициент нелинейных искажений.
Задача заключается в разработке быстродействующего формирователя гармонического сигнала на основе аналоговых перемножителей сигналов.
Основная часть
Формирователь гармонического сигнала (рис. 1) содержит перемножитель (ПМ), два квадратора (КВ1 и КВ2), экстрематор (Э), вычислитель модуля (ВМ), инвертор, сумматор и переключатель полярности (ПП).
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2016 2410-700Х
Рисунок 1 - Структурная схема формирователя
Формирователь гармонического сигнала работает следующим образом.
При подаче сигнала треугольной формы N ) на вход формирователя на выходе экстрематора Э формируется (рис. 2,а) сигнал прямоугольной формы ), который поступает на один из входов переключателя полярности 1111.
Рассмотрим процесс формирования гармонического сигнала N (?) на интервале X £ [0; п] (фиг.2,а).
Для нахождения аналитических выражений сигнала N (?) используем общее выражение для прямой у = кх + ь , проходящей через две точки с координатами (X, У1) и (Х2, у2 )
У(х) = У " х1
(У 2 - У^ , „ (У 2 - У1)
+ х-
(х2 - х1) (х2 - х1)
(1)
где X - текущее значение угла в радианах.
Подставив в (1) координаты двух граничных точек [ X = 0, у1 = — а ; х2 = п, У2 = а ], получим
N (х) = А-[(2/п) • х-1], при х £ [0; п]. (2)
Для упрощения рассуждений примем, что амплитудные значения сигнала N (0 равны
нормированному значению а = а = 1. В этом случае уравнение (2) примет вид N (х) = [(2 / п) • х -1] .
х) = N4 х) = [(2/п) • х-1]2,
а на выходе перемножителя ПМ - сигнал
^ (х) = N (х) • ^ (х) = [(2/п) • х-1]3.
На выходе вычислителя модуля ВМ формируется сигнал
М,( х) = х)| = |[(2/ п) • х-1]3|, а на выходе второго квадратора КВ2 - сигнал
М2 (х) = ^2 (х) = [(2 / п) • х -1]4.
На третий вход сумматора поступает инвертированный сигнал ^ (х) , то есть
М3 (х) = (х) = -[(2 / п) • х -1]2, а на четвертый вход - опорное напряжение Е0 .
Поскольку сумматор является инвертирующим, то на его выходе формируется (фиг.1) сигнал
м (х) = -[к • м (х)+к •м (х)+к • м3 (х)+к • е ],
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2016 ISSN 2410-700X_
где k — k - коэффициенты передачи сумматора по соответствующим входам, E0 - величина опорного напряжения.
Рисунок 2 - Временные диаграммы На выходе первого квадратора КВ1 формируются сигнал
Полярность сигнала Ы2 (х) будет зависеть от знака переключающего напряжения 0(х), поступающего на второй вход 1111 Ы2(х) = sign[х)\и(х) . Поскольку сигнал 0(х) на рассматриваемом интервале X £ [0; п] принимает значение X) = 1 (рис. 2,а), то
N (х)=м( х) = —[к • м1 (х)+к -м (х)+к • мъ (х)+к • Е ]. (3)
Для решения уравнения (3) необходимо найти значения коэффициентов к — к и величину опорного напряжения Е0, причем эти величины должны быть оптимизированы для получения минимальных искажений формируемого
гармонического сигнала Ы2 (х) .
В уравнение (3) входит 5 неизвестных (четыре коэффициента к — к и опорное напряжение Е0),
следовательно, должна быть составлена система из пяти уравнений.
Задачу можно упростить, если систему уравнений составить таким образом, чтобы на
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2016 ISSN 2410-700X_
рассматриваемом интервале в определенных (заданных) точках X было идеальное совпадение с эталонным сигналом
S0 (x) = - AA • sin( x) = - sin( x), то есть N2 (X,) = S0 (X ) . С учетом этого составим следующее уравнение
К • М1 (x.) + к2 •М(x.) + къ • M3 (x.) + к4 • E0 — sin(x,) = 0. (4)
Для точки x = 900 значения N (п /2)] = 0; S0 (п /2)] = — 1, тогда получим уравнение к4 • E = 1 Исходное уравнение (4) при этом можно значительно упростить
к • Ml(x) + к2 •M2(x.) + кз • Мз(x.) = 0, (5)
для решения которого требуется уже система из трех уравнений с тремя неизвестными кх — к3. Для точки x = 0 уравнение (5) примет следующий вид
к+к — К +1 = 0,
откуда следует, что при варьировании всего двух коэффициентов (кх и к2) можно провести оптимизацию формирователя гармонического сигнала N ( x) на минимум нелинейных искажений, поскольку коэффициент к жестко связан с изменяемыми коэффициентами к и к , то есть к=1 + к1 + к2.
Временные диаграммы, поясняющие принцип формирования гармонического сигнала, N2 (t) изображены на рис. 2.
При суммировании двух сигналов Мх (x) и М2 (x) формируется (рис. 2,б) виртуальный сигнал
V (x) = К • М (x) + к2 •М (x), а при суммировании сигналов Мъ (x) и V (x) - виртуальный сигнал
V (x) = К • М3 (x) + Vj(x), изображенный на рис. 2,в.
В результате суммирования сигналов V (x) , V (x) и на выходе сумматора будет сформирован (рис. 2,г) сигнал м (x), поступающий на второй вход переключателя полярности ПП, который, по сути, является фазовым манипулятором.
Под действием управляющего напряжения d(x) на участке x Е [п;2п] происходит инверсия (опрокидывание) фазы сигнала
м (x) и на выходе формирователя образуется (рис. 2,д) гармонический
сигнал N (x) .
Таким образом, при подаче на вход формирователя линейно-изменяющегося сигнала треугольной
формы N (x) на его выходе формируется гармонический сигнал N2 (x), частота и амплитуда которого
будут равны соответствующим параметрам входного сигнала.
Дальнейшая оптимизация проводилась на математической модели с помощь программы PSIM 9. Оптимизация коэффициентов и измерение нелинейных искажений производились с помощью блока (THD-Total harmonic distortion) программы PSIM 9. При оптимальных значениях коэффициентов к = 0,0663 и
кгор! = 0,1853 коэффициент нелинейных искажений к^. формируемого сигнала N2 (t) составил 0,016%, при этом значение коэффициента к3 = 1,2516 .
Формирователь гармонического сигнала обладает высоким быстродействием, поскольку в его составе нет реактивных элементов, определяющих динамические характеристики. Список использованной литературы:
1. Дьяконов В. П. Генерации и генераторы сигналов / В. П. Дьяконов. - М.: ДМК Пресс, 2009. - 384 с.
2. Ноткин Л.Р. Функциональные генераторы и их применение / Л.Р. Ноткин. - М.: Радио и связь, 1983. - 184 с.
3. Дубровин В. С. Способ построения управляемых функциональных генераторов / В. С. Дубровин, В. В.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2016 ISSN 2410-700X_
Никулин // T-comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2013. - Т. 7, № 6. - С. 22-27.
4. Дубровин В. С. Способы построения управляемых функциональных генераторов / В. С. Дубровин, А. М. Зюзин // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. - 2014. - № 7-8. - С. 131-137.
5. Пат. 101291 Российская Федерация, МПК H 03 B 27/00. Функциональный генератор / Дубровин В. С., Зюзин А. М. - № 2010137125/09; заявл. 06.09.10; опубл. 10.01.11, Бюл. № 1. - 2 с.: 1 ил.
6. Пат. 104402 Российская Федерация, МПК H 03 K 4/06. Функциональный генератор / Дубровин В. С., Зюзин
A. М. - № 2011100966/08; заявл. 12.01.11; опубл. 10.05.11, Бюл. № 13. - 2 с.: 1 ил.
7. Дворников О. Формирователь синусоидального напряжения / Олег Дворников // Современная электроника. - 2008. - № 6. - С. 42-45.
8. Пат. 1702514 Российская Федерация, МПК H 03 B 27/00. Генератор ортогональных сигналов / Дубровин
B. С. - № 4796503/09; заявл. 26.02.90; опубл. 30.12.91, Бюл. № 48. - 6 с.: 1 ил.
9. Дубровин В. С. Генератор ортогональных сигналов / В. С. Дубровин. - В сборнике: Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов V Всероссийская научно-техническая конференция, 29-30 мая 2007 г.: сборник статей. под ред. И. И. Сальникова. Пенза, 2007. С. 154-156.
10. Пат. 2506692 Российская Федерация, МПК 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.
11. Дубровин В. С. Система стабилизации управляемого генератора на базе квазиконсервативного звена / В.
C. Дубровин // Южно-сибирский научный вестник. - Бийск, 2012. - № 2. - С. 30-34.
12. Дубровин В. С. Формирователь квадратурных сигналов / В. С. Дубровин // Южно-сибирский научный вестник. - Бийск, 2012. - Вып. 2 (2). - С. 35-38.
13. Пат. 127554 Российская Федерация, МПК H 03 B 27/00. Формирователь квадратурных сигналов / Дубровин В. С., Зюзин А. М. - № 2012138489/08; заявл. 07.09.12; опубл. 27.04.13, Бюл. № 12. - 2 с.: 1 ил.
14. 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 техшка в технолопчних процессах = Measuring and Computing Devices in Technological Processes. - Хмельницкий, 2013. - № 2 (43). - С. 98-101.
15. Дубровин В. С. Управляемый формирователь квадратурных гармонических сигналов / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. - 2013, № 1 (17). - С. 5-12.
16. Пат. 1667222 Российская Федерация, МПК H 03 B 27/00. Управляемый фазовращатель / Дубровин В. С. - № 4493920/09; заявл. 13.10.88; опубл. 30.07.91, Бюл. № 28. - 3 с.: 1 ил.
17. Дубровин В. С. Применение фазовращающих цепей при построении многофазных генераторов гармонических сигналов. / В. С. Дубровин. // Электроника и информационные технологии. 2011. № 1 (10).
18. Дубровин В. С. Управляемые фазовращатели / В. С. Дубровин // Южно-сибирский научный вестник. -Бийск, 2012. - Вып. 1 (1). - С. 38-41.
19. Дубровин В. С. Фазовращатель гармонического сигнала / В. С. Дубровин. // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. - 2014. - № 9-10. - С. 192-195.
20. Пат. 81859 Российская Федерация, МПК H 03 K 4/06. Аналого-цифровой аддитивный формирователь сигнала треугольной формы / Дубровин В. С., Зюзин А. М. - № 2008146321/22; заявл. 24.11.08; опубл. 27.03.09, Бюл. № 9. - 2 с.: 1 ил.
21. Пат. 81860 Российская Федерация, МПК H 03 K 4/06. Аддитивный формирователь сигнала треугольной формы / Дубровин В. С., Зюзин А. М. - № 2008146300/22; заявл. 24.11.08; опубл. 27.03.09, Бюл. № 9. - 1 с.: 1 ил.
22. Пат. 83669 Российская Федерация, МПК H 03 K 4/06. Аддитивный формирователь сигнала треугольной формы / Дубровин В.С., Зюзин А.М. - № 2009103327/22; заявл. 02.02.09; опубл. 10.06.09, Бюл. № 16. - 2 с.: 1 ил.
23. Пат. 83670 Российская Федерация, МПК H 03 K 4/06. Аддитивный формирователь сигнала треугольной формы / Дубровин В.С., Зюзин А.М. - № -2009103333/22; заявл. 02.02.09; опубл. 10.06.09, Бюл. № 16. - 2 с.: 1 ил.
24. Дубровин В. С. Особенности применения аддитивных формирователей сигналов в функциональных
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2016 ISSN 2410-700X
генераторах / В. С. Дубровин // Южно-сибирский научный вестник. - Бийск, 2013. - № 2 (4). - С. 41-45.
25. Дубровин В. С. Определение погрешности линеаризации синтезированного линейно-изменяющегося сигнала в среде LabView / В. С. Дубровин, М. В. Ильин // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments : сб. тр. восьмой Междунар. науч.-практ. конф., Москва, 20-21 нояб. 2009 г. - М., 2009. - С. 226-228.
26. Дубровин В. С. Модель для оптимизации параметров синтезированного сигнала / В. С. Дубровин, Е. А. Сайгина // Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. - Ростов н/Д, 2011. - С. 115-118.
27. Дубровин В. С. Особенности применения аддитивных формирователей сигналов в функциональных генераторах / В. С. Дубровин // Южно-сибирский научный вестник. - Бийск, 2013. - № 2 (4). - С. 41-45.
28. Дубровин В. С. Особенности применения корректирующих блоков для повышения линейности сигналов треугольной формы в функциональных генераторах / В. С. Дубровин // Журнал научных и прикладных исследований. - 2016. - № 2. - С. 123-128.
© Дубровин В С., 2016
УДК 316.77
Дуглас Армандо Суарес Ромеро
Аспирант тех. наук, РУДН, г. Москва, РФ E-mail: douglas170667@gmail.com
ОРГАНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА: ЭЛЕКТРОНИКА БУДУЩЕГО
Ключевые слова
Органическая электроника, органические устройства, экран визуализации информации, органические материалы и органические молекулы.
Введение.
Уже примерно к 1965 году на заре эры электроники, было ясно, что количество транзисторов, которые находятся в одном "чипе" удваивается каждый год. В течение долгого времени была тенденция затормаживать процесс, так как естественно, что есть некий физический лимит для развития новых технологий. Один из самых практичных способов решения проблемы, который предлагала электроника, был способ, основанный на органических молекулах. Многочисленные исследования электрических свойств различных органических материалов открывают путь органической электронике в 21 веке. Органические материалы бесконечно различны, более легки и более гибкие, чем неорганические, и не доставляет труда придать им форму. Есть много сложных органических молекул, и их различные химические свойства и свойства электроники представляют много новых характеристик [1, c. 1-9]. Можно синтезировать миллион различных молекул, заменяя их отдельными блоками и формировать молекулы и полимеры с любой совершенно различной функцией.
В ближайшем будущем, электрические устройства сместят неорганические электрические устройства, используемый в настоящее время своими более высокими технологиями, которые постоянно улучшаются благодаря большому количеству групп исследований в университетах и индустрий, которые работают в этой области. Также, электроника, основанная на органических устройствах это многообещающая альтернатива, которая обновит понятие развлечения так как позволит пользователю испытать более реальные изображения. Главные достоинства, которые представляет эта технология это в основном ее имплементация на экраны визуализации информации благодаря ее гибкости и высокой эффективности и резолюции качества изображений.
