CC BY
90
Section 15. Electrical engineering
Section 15. Electrical engineering
Dubrovin Viktor Stepanovych, N. P. Ogaryov Mordovia State University, candidate of engineering sciences, associate professor of communication networks and relay systems department
E-mail: vsdubrovin13@mail.ru
Phase shifter of a harmonic signal
Abstract. The article presents the phase shifter, providing a constant phase shift at a frequency change of the input signal in a wide range. In this case, the frequency response of the phase shifter is uniform throughout the whole range of frequencies used. The proposed solution is simple enough and can be performed integrally. The phase shifter may be used when constructing quadrature and multiphase formers and generators of harmonic oscillations.
Keywords: block diagram, phase shifter, divider, transfer function, converter.
Дубровин Виктор Степанович, Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва, кандидат технических наук, доцент кафедры инфокоммуникационных технологий и систем связи E-mail: vsdubrovin13@mail.ru
Фазовращатель гармонического сигнала
Аннотация: В статье рассматривается фазовращатель, обеспечивающий постоянный фазовый сдвиг при изменении частоты входного сигнала в широких пределах. При этом амплитудно-частотная характеристика фазовращателя остается равномерной во всем диапазоне используемых частот. Предлагаемое решение является достаточно простым и может быть выполнено в интегральном исполнении. Фазовращатель может найти применение при построении квадратурных и многофазных формирователей и генераторов гармонических колебаний.
Ключевые слова: структурная схема, фазовращатель, делитель, передаточная функция, преобразователь.
Введение
В радиоэлектронике, автоматике, системах связи находят широкое применение многофазные электронные генераторы, управляемые фильтры, модуляторы-демодуляторы, компенсаторы фазовых искажений, умножители частоты, вычислители модулей квадратурных сигналов, в которых основным элементом является управляемый фазовращатель (УФВ).
Фазовращатели относятся к числу неминимальнофазовых цепей. Среди известных схем фазовращателей наиболее широкое применение нашли фазовращатели на базе всепропускающих фильтров первого порядка (фазовые фильтры) [1]. Применение управляемых фазовращающих цепей в формирователях квадратурных сигналов позволяет получить в различных устройствах стабильные фазовые сдвиги при широком диапазоне изменения частоты.
На базе управляемых фазовращателей достаточно просто реализуются формирователи линейно-изменя-ющегося сигнала [2-10], функциональные генераторы [11-16], умножители частоты [17, 18], устройства для определения параметров сигнала с квадратурной модуляцией [19] — далеко не полный перечень использования управляемых фазовращателей.
Задача заключается в построении достаточно простых управляемых фазовращателей, обеспечивающих необходимые стабильные фазовые сдвиги при изменении частоты формируемых сигналов в широком диапазоне.
Основная часть
Фазовращатель гармонического сигнала (рис. 1) содержит операционный усилитель, два резистора, конденсатор, делитель (Д), сумматор и преобразователь «период — напряжение» (ПР).
192
Phase shifter of a harmonic signal
На входную шину фазовращателя подается гармонический сигнал N1(t) = A0 sin(rat) с амплитудным значением А0 и частотой га = 2п • f.
Для нахождения основных расчетных соотношений между входным N1(t) и выходным N2(t) сигналами воспользуемся операторным методом.
Операционный усилитель, резисторы R1 и R2, а также конденсатор C образуют двухвходовой инвертирующий интегратор выходной сигнал которого
V(s)
N1(s)-----+ V2(s)---,
(1)
TjS T2s
где т1 = R1C и т2 = R2C - постоянные времени интегратора по первому и второму входам; s - комплексная переменная.
Выходной сигнал делителя Д, поступающий на второй вход интегратора
V2(s) = V^s)/ Ey, (2)
где Ey - управляющее напряжение, поступающее на второй вход делителя с выхода преобразователя
ПР.
В результате сложения сигналов N1(s) и V2(s) на выходе фазовращателя формируется сигнал
N2(s) = k ■ Nj(s) + к2 ■V1(s), (3)
где k1 и k2 - коэффициенты передачи сумматора по первому и второму входам.
При совместном решении (1) — (3) получим выражение для передаточной функции фазовращателя
H(S>=ад)/ ад) = k-v+km - k, (4)
Tys + m
где тУ = Tj • Ey — управляемая постоянная времени;
m = Rj / R2.
При R1 = R2 = R коэффициент m = 1, тогда формула (4)примет вид
H (s)
k ■ TyS + k - k2
TyS + 1
(5)
Если в (5) принять k1 = 1, а k2 = 2, то ПФ фазовращателя
H (s) = ^Д_1 TyS + 1
(6)
будет соответствовать фазовому фильтру первого порядка.
Заменив в (6) s ^ jга, запишем выражение для
комплексной частотной функции H (j га) = jra Ту—1.
1 - j гат У
Модуль коэффициента передачи H (га) = 1, а аргумент ф(га) = - 2arctg(ra-Ty) = -2arctg(2n/-т-ЕУ). (7)
Из (7) следует, что фазовый сдвиг ф(га) между выходным N2(t) и входным N1(t) колебаниями будет оставаться постоянным ф(га) = const при условии, что управляющее напряжение ЕУ будет изменяться обратно пропорционально частоте f, то есть прямо пропорционально периоду входного сигнала
E У = 1/f = T.
Для заданного значения угла ф0 значение постоянной времени т может быть рассчитано по формуле
т= ¥Фо/2).
2л-f■ЕУ
Управляющее напряжение, пропорциональное периоду входного сигнала, формируется с помощью преобразователя «период — напряжение». Некоторые варианты построения преобразователей «период — напряжение» приведены в [20, 21].
Заключение
1. Предложен фазовращатель, обеспечивающий постоянный фазовый сдвиг при изменении частоты входного сигнала в широких пределах.
2. Получены аналитические выражения для расчета параметров фазовращателя. Результаты расчетов и математического моделирования в программе PSIM-9 показали хорошее совпадение.
3. Фазовращатель может найти применение при построении квадратурных и многофазных формирователей и генераторов гармонических колебаний, в управляемых фильтрах, умножителях частоты.
193
Section 15. Electrical engineering
Список литературы:
1. Дубровин В. С. Управляемые фазовращатели/В. С. Дубровин//Южно-сибирский научный вестник. -Бийск, 2012. - Вып. 2 (2). - С. 38-41.
2. Пат. 81859 Российская Федерация, МПК 7 H 03 K 4/06. Аналого-цифровой аддитивный формирователь сигнала треугольной формы/Дубровин В. С., Зюзин А. М.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»). -№ 2008146321/22; заявл. 24.11.08; опубл. 27.03.09, Бюл. № 9. - 12 с.: 2 ил.
3. Пат. 81860 Российская Федерация, МПК 7 H 03 K 4/06. Аддитивный формирователь сигнала треугольной формы/Дубровин В. С., Зюзин А. М.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»). - № 2008146300/22; заявл. 24.11.08; опубл. 27.03.09, Бюл. № 9. - 6 с.: 2 ил.
4. Пат. 83669 Российская Федерация, МПК 7 H 03 K 4/06. Аддитивный формирователь сигнала треугольной формы/Дубровин В. С., Зюзин А. М.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»). - № 2009103327/22; заявл. 02.02.09; опубл. 10.06.09, Бюл. № 16. - 8 с.: 5 ил.
5. Пат. 83670 Российская Федерация, МПК 7 H 03 K 4/06. Аддитивный формирователь сигнала треугольной формы/Дубровин В. С., Зюзин А. М.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»). - № 2009103333/22; заявл. 02.02.09; опубл. 10.06.09, Бюл. № 16. - 3 с.: 8 ил.
6. 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.
7. Дубровин В. С. Модель для оптимизации параметров синтезированного сигнала/В. С. Дубровин, Е. А. Сай-гина//Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. - Ростов н/Д., 2011. - С. 234-236.
8. 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.
9. Дубровин В. С. Способ формирования линейно изменяющегося сигнала/В. С. Дубровин, В. В. Нику-лин//Измерительная и вычислительная техника в технологических процессах = Вимiрювальна та обчис-лювальна техшка в технолопчних процессах = Measuring and Computing Devices in Technological Processes. 2013. № 4 (45). - С. 72-76.
10. Дубровин В. С. Формирователь линейно изменяющегося сигнала/В. С. Дубровин//Южно-сибирский научный вестник. - Бийск, 2014. - № 1 (5). - С. 70-73.
11. Дубровин В. С. Способ построения управляемых функциональных генераторов/В. С. Дубровин, В. В. Никулин//Т-штт: Телекоммуникации и транспорт. - 2013. - Т. 7, № 6. - С. 22-27.
12. Дубровин В. С. Способ построения функционального генератора/В. С. Дубровин//Prospero. - 2014. - № 1 (2). - С. 63-66.
13. Дубровин В. С. Способы построения управляемых функциональных генераторов/В. С. Дубровин, А. М. Зю-зин/ZAustrian Journal of Technical and Natural Sciences. 2014. № 7-8. С. 131-137.
14. Пат. 101291 Российская Федерация, МПК 7 H 03 B 27/00. Функциональный генератор/Дубровин В. С., Зюзин А. М.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»). - № 2010137125/09; заявл. 06.09.10; опубл.
10.01.11, Бюл. № 1. - 7 с.: 2 ил.
194
Phase shifter of a harmonic signal
15. Пат. 104402 Российская Федерация, МПК 7 H 03 B 27/00. Функциональный генератор/Дубровин В. С., Зюзин А. М.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»). - № 2011100735/09; заявл. 12.01.11; опубл.
10.05.11, Бюл. № 13. - 8 с.: 2 ил.
16. Пат. 108247 Российская Федерация, МПК 7 H 03 B 27/00. Функциональный генератор/Дубровин В. С., Зюзин А. М.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО») - № 2011119660/08; заявл. 16.05.11; опубл.
10.09.11, Бюл. № 25. - 2 с.: 1 ил.
17. Пат. 80634 Российская Федерация, МПК 7 Н03 B 19/06. Умножитель частоты квадратурных сигналов./В. С. Дубровин, А. М. Зюзин; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»); № 2008143820/22; заявл. 05.11.08; опубл. 10.02.09, Бюл. № 4. - 1 с.: 1 ил.
18. Пат. 103993 Российская Федерация, МПК 7 Н03 B 19/00. Умножитель частоты квадратурных сигналов./Ду-бровин В. С., Зюзин А. М.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»). - № 201014148151/09; заявл. 25.11.10; опубл. 27.04.11, Бюл. № 12. - 2 с.: 1 ил.
19. Пат. 80638 РФ, МПК 7 Н04 L 5/04. Устройство для определения параметров сигнала с квадратурной моду-ляцией./Дубровин В. С., Зюзин А. М.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»). - № 2008141738/22; заявл. 21.10.08; опубл. 10.02.09, Бюл. № 4. - 2 с.: 1 ил.
20. Пат. 130161 Российская Федерация, МПК 7 H 02 M 9/06. Преобразователь частоты в напряжение/Ду-бровин В. С., Зюзин А. М.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»). - № 2012138490/07; заявл. 07.09.12; опубл. 10.07.13, Бюл. № 19. - 1 с.: 2 ил.
21. Пат. 2520409 Российская Федерация, МПК 7 H 03 K 7/06. Преобразователь периодического сигнала в частоту и период/Дубровин В. С., Зюзин А. М.; заявитель и патентообладатель Негосударственное научно-образовательное учреждение «Саранский Дом науки и техники Российского Союза научных и инженерных общественных организаций» (ННОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО»). - № 2012140981/08; заявл. 25.09.12; опубл. 27.03.14, Бюл. № 9. - 10 с.: 2 ил.
195
