CC BY
52
СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Дубровин В.С.,
ФГБОУ ВПО
«Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва», vsdubrovinl3@mail.ru Никулин В.В., ФГБОУ ВПО
«Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарёва», nikulinvv@mail.ru
Ключевые слова: АННОТАЦИЯ
структурная схема, базовый блок,
квадратурные сигналы, линеаризация, Общеизвестно, что в функциональных генераторах, где необходимо преобразовать оптимальные коэффициенты. форму сигнала из треугольной в синусоидальную, наибольшее распространение
получили диодные функциональные преобразователи, а также преобразователи с использованием ВАХ полевых транзисторов, в основе которых лежит принцип кусочно-линейно, либо кусочно-нелинейной аппроксимации напряжения синусоидальной формы. Однако, весь спектр основных требований (малый коэффициент гармоник, отсутствие постоянной составляющей в сигнале синусоидальной формы, широкий диапазон рабочих частот, инвариантность к изменениям амплитуды сигнала треугольной формы и т.д.) достаточно сложно обеспечить при использовании диодных функциональных преобразователей. Рассмотрение широко применяемых структурных схем построения управляемых функциональных генераторов позволило выявить их недостатки. Анализ исходного синтезированного сигнала показал, что имеются значительные ^-образной формы) отклонения его от идеального сигнала как на на-рас-тающем, так и на спадающем участках. Получены аналитические выражения для вычисления спектральных составляющих синтезированного сигнала. Предложен новый способ линеаризации аддитивного сигнала, заключающийся в том, что с помощью двух вычислителей модулей и суммирующего блока формируется синтезированный сигнал S-образной формы, как на участке прямого хода (нарастающее напряжение), так и на участке обратного хода (спадающее напряжение), а затем с помощью специального блока коррекции значительно увеличивается линейность формируемого сигнала. Получено аналитическое выражение для нахождения оптимального значения «выравнивающих» коэффициентов, позволяющих значительно повысить линейность синтезированного сигнала. Рассчитаны усредненные значения «выравнивающих» коэффициентов для линеаризации сигнала треугольной формы. Это позволило ускорить поиск оптимальных коэффициентов, значительно улучшающих метрологические характеристики формируемого сигнала треугольной формы. Проведенная оптимизация разработанной структурной схемы позволила, вместо трёх сумматоров использовать один блок суммирования-вычитания, а в качестве квадраторов использовать перемножители сигналов с объединёнными входами. Аналитически и на программной модели доказано, что при выравнивании по 5-ой гармонике остаточная погрешность уменьшается более чем в 20 раз. Предлагаемый способ построения функционального генератора позволяет получить сигналы синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы с высокими метрологическими характеристиками (с минимальными искажениями и стабильными амплитудами). Используемые решения защищены несколькими патентами Российской Федерации. Построенный таким образом функциональный генератор может найти применение в прецизионных устройствах радиоэлектроники, автоматики, системах связи
Постановка задачи
Функциональный генератор (ФГ) представляет собой устройство, на выходе которого формируются сигналы различных форм, и в котором сигнал синусоидальной формы получают из сигнала треугольной формы путем специального функционального нелинейного преобразования [20]. Функциональные генераторы находят широкое применение в качестве измерительных генераторов, свип-генераторов, генераторов радиоимпульсов и др. Управляемые функциональные генераторы (УФГ) находят широкое применение в радиоэлектронике, автоматике, системах связи. Выходные сигналы УФГ должны иметь, как правило, высокие метрологические характеристики: минимальный коэффициент искажений для гармонического сигнала и высокую линейность для формируемого сигнала треугольной формы.
В классической структурной схеме [20] простейшего УФГ (рис. 1) интегратор (И), релейный элемент (РЭ) и управляемый делитель (Д), замкнутые в кольцо, образуют автоколебательную систему, на выходах которой формируется сигнал треугольной формы З^О и биполярный сигнал прямоугольной формы 52(0- Квазигармонический сигнал синусоидальной формы 53(0 образуется на выходе формирователя Ф, подключенного к выходу интегратора. Изменение частоты генерируемых сигналов производится с помощью управляющего напряжения Еу.
В современных ФГ, где необходимо преобразовать форму сигнала из треугольной в синусоидальную, наибольшее распространение получили диодные функциональные преобразователи (ДФП), а также преобразователи с использованием ВАХ полевых транзисторов, в основе которых лежит принцип кусочно-линейной (КЛА), либо кусочно-нелинейной (КНА) аппроксимации напряжения синусоидальной формы [20].
Однако, весь спектр основных требований (малый коэффициент гармоник, отсутствие постоянной составляющей в сигнале синусоидальной формы, широкий диапазон рабочих частот, инвариантность к изменениям амплитуды сигнала треугольной формы и т.д.) достаточно сложно обеспечить при использовании ДФП.
В работах [10,25,26] предлагается иной способ построения УФГ (рис. 2), основу которого составляет аддитивный формирователь сигнала треугольной формы.
Источник квадратурных сигналов (ИКС) формирует квадратурные гармонические сигналы V, (0 и У2(0, из которых в дальнейшем с помощью преобразователя Ф1 формируется сигнал квазитреугольной формы Б^). Формирование биполярных сигналов прямоугольной формы 5'2(0 производится с помощью блока Ф2. Частота выходных сигналов и Я2(1) равна удвоенной частоте исходных квадратурных сигналов и У2(0> поэтому формирователь ФЗ предназначен для получения гармонического синусоидального сигнала удвоенной частоты.
Выбор структурной схемы УФГ зависит, прежде всего, от требований, предъявляемых к форме выходных сигналов, а также от сложности построения отдельных устройств, входящих в состав УФГ и наличия дополнительных сервисных возможностей создаваемого генератора.
Для многих приложений требуются сигналы синусоидальной формы с минимальными нелинейными искажениями, что наиболее просто обеспечивается в схеме показанной на рис. 2. Кроме того, в этой схеме формируются также квадратурные гармонические сигналы, что обеспечивает дополнительные сервисные возможности УФГ.
Рис. 1 Структурная схема базовой модели УФГ И - интегратор; РЭ - релейный элемент; Д - управляемый делитель; Ф - формирователь квазисинусоиды.
Рис. 2 Структурная схема УФГ ИКС - источник квадратурных сигналов; Ф1 - аддитивный
формирователь сигнала треугольной формы; Ф2 - формирователь биполярного сигнала прямоугольной формы; ФЗ - формирователь гармонического сигнала.
HiS
RESEARCH
Рис. 3 Структурная схема аддитивного формирователя
Схемотехнические решения проектирования управляемых источников квадратурных сигналов с высокими метрологическими характеристиками достаточно хорошо отработаны [1-3,12-19,27]. Для формирования квадратурных сигналов и У2(0 может использоваться либо генератор квадратурных сигналов (ГКС) [1,14,16,18,27], либо различные фазовращающие цепи [2,3,12,13,15,19]. Главное требование, предъявляемое к ГКС - стабильность амплитуд во всём частотном диапазоне и незначительные нелинейные искажения выходных сигналов. Основное требование к фазовращающим цепям - стабильность фазовых сдвигов во всём диапазоне изменения частоты выходного сигнала.
Однако сигнал Б^), формируемый с помощью только квадратурных составляющих и имеет сравнительно невысокую линейность как на участке нарастающего, так и на участке спадающего напряжений. В работах [4,6,7,21-24] предлагаются различные способы линеаризации формируемого сигнала треугольной формы для УФГ, построенных на принципе формирования линейно-изменяющегося сигнала из двух гармонических сигналов, сдвинутых друг относительно друга на 90 эл. град.
Метод решения
Новая идея формирования квазилинейного сигнала из двух гармонических сигналов, сдвинутых друг относительно друга на угол 90 эл. град., заключается в том, что с помощью двух вычислителей модулей и суммирующего блока формируется синтезированный сигнал Б-образной формы, как на участке прямого хода (нарастающее напряжение), так и на участке обратного хода (спадающее напряжение), а затем с помощью специального блока коррекции значительно увеличивается линейность формируемого сигнала.
Рассмотрим более подробно способ повышения линейности синтезированного сигнала [24,25].
Структурная схема аддитивного формирователя линейно-изменяющегося напряжения приведена на рис. 3. Базовый блок (ББ), представляющий собой аддитивный формирователь, содержит два вычислителя модуля и сумматор. На входы ББ подаются квадратурные гармонические сигналы: = А&ш(со0£) и
Б2(0 = А со§(со0^, где А - амплитуда, а ©0 - круговая
частота квадратурных сигналов. Блок коррекции (БК) содержит два квадратора (КВ) и сумматор.
Структурная схема, изображённая на рис. 3 предназначена лишь для пояснения принципа формирования следующих сигналов: синтезированного 5СПНТ(0, кор-
Реальная схема формирователя может быть упрощена, если вместо трёх сумматоров использовать один блок суммирования-вычитания (рис. 4), а в качестве квадраторов использовать перемножители сигналов с объединёнными входами.
Временные диаграммы, поясняющие принцип формирования синтезированного «квазилинейного» сигнала треугольной формы, приведены на рис. 5.
Графики построены для нормированного значения амплитуд А* = 1. Очевидно, что частота основной гармоники а
-„синтезированного сигнала равна удвоенному значению частоты (Оо квадратурных сигналов, то есть
Q0 =2 ео0.
Для разложения синтезированного сигнала SCIIHT (t) в ряд Фурье по синусным составляющим перенесём систему координат из точки О в точку О , (рис. 5).
Для интервала 7\ справедлива следующая система уравнений:
где х = cot - текущее значение угла.
-if2/2
S(t>
s.(t)
О. / /F.(I) \
-Jt/4 / 0 / Xs,(i \ ли ЗЛИ /
/ /
[ Ii Ti Г2
1
Рис. 5 Временные диаграммы принципа формирования сигнала треугольной формы
ъ
псинт. — "
п
, (4)
^псинт. — Ъп
-sin (и—).
п(4п2 -1) 2"
Для идеального (эталонного) сигнала БэтХ0 треугольной формы после разложения в ряд Фурье по синусным составляющим получим:
ж2п2 sin^z 7}' ^
Для качественной оценки синтезируемого сигнала и оптимального выбора коэффициентов корректирующего блока воспользуемся расчётной схемой (рис. 6).
Сигнал ошибки ех(0 определяется как разность между входными сигналами сумматора:
Остаточную погрешность e2(t) можно вычислить с помощью следующей формулы:
Перейдя к исходной системе координат, вычислим коэффициенты разложения апе1 функции е1 = f(x) в ряд Фурье с помощью формулы:
a , —
ne1
4 Y
IT J
4
(— x -1) - sin x + cos x п
cos(2m)dx. (7)
Используя (7), получим формулу для вычисления амплитуд Апе1 спектральных составляющих:
Ае1 = _2._2,*.2 ,Л1 + (;Г~4)/|2]81П(/1Т)- ®
2"
Рис. 6 Расчётная схема
Для первого интервала т1 = Г1/2 (от 0 до /4) получим следующую систему уравнений:
Б2Сх) = 42 БШХ, (2)
а для второго интервала Г„ =Т2/2 (от /4 до /2):
51(х) = БтСк-ь /4); 53(х) = совСк-ь /4);Р2(х) = Б^х)
- Б3(х) = 42 совх. (3)
Коэффициенты разложения апашт = 0, а коэффициенты Ь„спнт найдём с помощью общеизвестной формулы:
4
| Г\(x)sin(2nx)dx + | Г2(x)sin(2nx)dx
0 л14 _
После элементарных преобразований получим формулу для вычисления амплитуд гармонических составляющих синтезированного сигнала:
ж2п2(4п2-\у
На рис. 7 приведены графические зависимости распределения спектральных составляющих в логарифмическом масштабе для эталонного Бэт(0 и синтезированного 5СПНТ (0 сигналов.
Из анализа графиков (рис. 7) и выражений (5) и (6) следует, что линии тренда для высших гармоник эталонного и синтезированного сигналов практически совпадают (при п2 1). Отличия наблюдаются лишь для первых наиболее сильных нескольких гармоник, например, амплитудные значения А1спнт = 8/(3) =
Различие в амплитудных составляющих удобно оценивать с помощью соответствующих коэффициентов «выравнивания» ОСп = Апэт/Апспнт:
4п2 -1
— • (9)
an —-
пп
Для первой гармоники коэффициент ОСх = 3/ = 0,9549, а для высших гармонических составляющих значения {ОС 4/ = 1,2732), то есть значения коэффициента „ практически не зависят от номера гармоники
Данное обстоятельство позволяет построить простой и эффективный блок коррекции, значительно улучшающий качество (линейность) исходного син-
HiS
RESEARCH
Ct'ScnHT.(t)
SKOp.(t) /
/ SßblX.(t) \
п f
2Л
65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
L.flB
LcKIHT.
выравнивание по пятой гармонике
Рис. 7 Распределение спектральных составляющих эталонного и синтезированного сигналов
тезированного сигнала 5СПНТ (0- Например, для того чтобы произвести выравнивание спектральных составляющих сигналов по пятой гармонике (А5спнт = А5эт ) необходимо умножить синтезированный сигнал 5ШНТ (0 на ко~ эффициент а!. Очевидно, что при этом все остальные
высшие гармоники также возрастут и приблизятся к соответствующим значениям высших гармонических составляющих эталонного сигнала (рис. 8).
Очевидно также, что и первая гармоника А1шнт при этом также возрастёт, превысив и без того завышенное значение в синтезированном сигнале.
На первом этапе оптимизации в качестве исходного «выравнивающего» коэффициента было принято сред-
СГ )/2 = 1,2556, а затем
нее значение ОСср = (ОСъ найдено оптимальное значение коэффициента
S(t)
1,5 1,0 0,5 0
-0,5 -1,0 -1,5
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 п
Рис. 8 Распределение спектральных составляющих эталонного и синтезированного сигналов с учётом коэффициента выравнивания по пятой гармонике
Затем проведена оптимизация этого значения, исходя из условия минимизации ошибки скорректированного сигнала.
Найденное оптимальное значение ОС = 1,2612 прак-
опт. 7 1
тически совпадает с коэффициентом выравнивания по пятой гармонике СС5 = 1,2605. Таким образом, для практических расчётов можно принять за оптимальное значение коэффициента СХ ~ 1,26.
Принцип компенсации нелинейности синтезированного сигнала 5ШНТ (0 поясняет рис. 9. Для формирования выходного сигнала 5ВЫХ (0 синтезированный сигнал 5СПНТ (0 необходимо умножить на рассчитанный коэффициент СХ , затем сформировать с помощью блока
коррекции компенсирующий гармонический сигнал с частотой, равной удвоенному значению частоты входных сигналов:
Рис. 9 Принцип компенсации нелинейности синтезированного сигнала
Рис. 10 Погрешность синтезированного сигнала
Sm, (t) = J3(eos2 cojt- sin2 cont) = /?cos(2a>¿) = y9cos(Q,/)
и произвести их суммирование: SBHX(t) = SCJII1T (t) +
SKop (t). Для сохранения равенства амплитудных значений эталонного и выходного сигнала необходимо выполнить следующее условие: /? = (1 — ССопт) ■ Результаты аналитического анализа и математического моделирования по определению погрешностей синтезированного сигнала представлены на рис. 10.
Из анализа графической зависимости в , = (eos* -sinx + 4х/ -1) следует, что максимальное отклонение eimax (при нормированном значении амплитуды А" = ЮООмВ) равно 42,5 мВ, что составляет примерно 4% (рис. 10а). Результаты коррекции (при выравнивании по пятой гармонике) представлены на рис. 106, откуда следует, что остаточная погрешность е2 уменьшается более чем в 20 раз.
Полученные результаты
1. Рассмотрены структурные схемы построения управляемых функциональных генераторов, предложен способ линеаризации синтезированного сигнала квазитреугольной формы.
2. Получены аналитические выражения для вычисления спектральных составляющих синтезированного сигнала.
3. Получено аналитическое выражение для нахождения оптимального значения «выравнивающего» коэффициента, позволяющего значительно повысить линейность синтезированного сигнала.
4. Рассчитаны оптимальные значения коэффициентов, позволяющие значительно повысить метрологические характеристики формируемых сигналов.
5. Доказано, что при выравнивании по 5-ой гармонике остаточная погрешность уменьшается более чем в 20 раз.
6. Предлагаемый способ построения функционального генератора позволяет получить сигналы синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы с высокими метрологическими характеристиками (с минимальными искажениями и стабильными амплитудами).
7. Функциональный генератор может найти применение в прецизионных устройствах радиоэлектроники, автоматики, системах связи.
Литература
1. Дубровин В. С. Генератор ортогональных сигналов / В. С. Дубровин // Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов : сб. ст. V Всерос. науч.-техн. конф. - Пенза, 2007. - С. 154-156.
2. Дубровин В. С. Аналого-цифровые способы формирования ортогональных сигналов / В. С. Дубровин, В. В. Нику-
лин // Методы и средства управления технологическими процессами : МСУТП-2007: материалы IV Междунар. конф., Саранск, 24-26 окт. 2007 г. - Саранск, 2007. - С. 234-236.
3. Дубровин В. С. Преобразователь напряжения с кодо-управляемыми резисторами / В. С. Дубровин // Естественно-технические исследования : теория, методы, практика : (межвуз. сб. науч. тр.). - Саранск, 2007. - Вып. 7. - С. 3-6.
4. Дубровин В. С. Способ линеаризации аддитивного сигнала треугольной формы / В. С. Дубровин, А. М. Зюзин // Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании : сб. ст. XXIII Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2009. - С. 182-184.
5. Дубровин В. С. Принципы построения, анализ и синтез формирователей аддитивных сигналов треугольной формы / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // Современные проблемы и эксплуатации радиотехнических систем : тр. шестой Всерос. науч.-практ. конф. (с участием стран СНГ), г. Ульяновск, 22-23 сент. 2009 г. - Ульяновск, 2009. - С. 84-87.
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. К расчету спектральных составляющих линейно-изменяющегося синтезированного сигнала / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // Технические и естественные науки: проблемы, теория, практика : межвуз. сб. науч. тр. -Саранск, 2009. - Вып. 10. - С. 8-14.
8. Дубровин В. С. Оптимизация коэффициентов «выравнивания» формирователя линейно-изменяющегося сигнала [Электронный ресурс] / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // Электроника и электронные технологии. - Электрон, журн.
2009. - Спец. вып. 6. - Режим доступа: http://fetmag.mrsu.ru./2009-2/pdf/linear_signal_generation.p df, свободный. - 0420900067/0064. - Дата обращения: 21.05.2013.
9. Дубровин В. С. Спектральный анализ квазилинейного сигнала треугольной формы / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // XXXVII Огарёвские чтения : материалы науч. конф. - Саранск, 2009. -Ч. 3 : Технические науки. - С. 134-136.
10. Дубровин В. С. Принципы построения функциональных генераторов [Электронный ресурс] / В. С. Дубровин // Электроника и электронные технологии. - Электрон, журн.
2010. - Вып. 2 (9). - Режим доступа: http://fetmag.mrsu.ru./2010-2/pdf/Oscillator.pdf, свободный. - 0421000067/0063. - Дата обращения: 21.05.2013.
11. Дубровин В. С. Модель для оптимизации параметров синтезированного сигнала / В. С. Дубровин, Е. А. Сайгина // Труды Северо-Кавказского филиала Московского техни-
ческого университета связи и информатики. - Ростов н/Д., 2011.-С. 234-236.
12. Дубровин В. С. Управляемые фазовращатели / В. С. Дубровин // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях : межвуз. сб. -Бийск, 2011. - Вып. 1. - С. 38-41.
13. Дубровин В. С. Применение фазовращающих цепей при построении многофазных генераторов гармонических сигналов [Электронный ресурс] / В. С. Дубровин // Электроника и электронные технологии. - Электрон, журн. - 2011. -Вып. 1 (10). - Режим доступа: http://fetmag.mrsu.ra./2011-1/pdf/Phase-Shift.pdf, свободный. -0421100067/0009. - Дата обращения: 21.05.2013.
14. Дубровин В. С. Формирователь квадратурных сигналов / В. С. Дубровин // Южно-сибирский научный вестник. -Бийск, 2012. - Вып. 2 (2). - С. 35-38.
15. Дубровин В. С. Управляемые фазовращатели / В. С. Дубровин // Южно-сибирский научный вестник. - Бийск, 2012. -Вып. 2 (2).-С. 38-41.
16. Дубровин В. С. Многоконтурная система стабилизации управляемого генератора / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2013. - № 1. - С. 74-82.
17. Дубровин В. С. Управляемый формирователь квадратурных гармонических сигналов / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфо-коммуникационные системы. - Йошкар-Ола, 2013. - № 1 (17).-С. 5-11.
18. Дубровин В. С. Управляемый квадратурный генератор с многоконтурной системой стабилизации / В. С. Дубровин, В. В. Никулин // Проблемы передачи информации в инфо-коммуникационных системах : материалы Всерос. научн,-практ. конф., г. Волгоград, 22 мая 2013 г. - Волгоград, 2013. -С. 33-37.
19. Никулин В. В. Фильтры устройств связи : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1. Аналоговые электрические фильтры / В. В. Никулин, О. А. Захаржевский, В. С. Дубровин. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2010. -108 с.
20. Ноткин Л. Р. Функциональные генераторы и их применение / Л. Р. Ноткин. - М.: Радио и связь, 1983. -184 с.
21. Пат. 81859 Российская Федерация, МПК7 Н 03 К 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.
22. Пат. 81860 Российская Федерация, МПК7 Н 03 К 4/06. Адаитивный 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.
23. Пат. 83669 Российская Федерация, МПК7 Н 03 К 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.
24. Пат. 83670 Российская Федерация, МПК7 Н 03 К 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.
25. Пат. 101291 Российская Федерация, МПК7 Н 03 В 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.
26. Пат. 104402 Российская Федерация, МПК7 Н 03 В 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.
27. Пат. 127554 Российская Федерация, МПК7 Н 03 В 27/00. Формирователь квадратурных сигналов / 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»), - № 2012138489/08 ; заявл. 07.09.12; опубл. 27.04.13, Бюл. № 12. -1 с.: 2 ил.
METHOD OF CONSTRUCTION OF CONTROLLED FUNCTION GENERATOR
Dubrovin V., Mordovia State University, Associate Professor of department of information and communication technologies and communication systems, dvs8937@saransk.ru
Nikulin V., Mordovia State University, Head of the department of information and communication technologies and communication systems, nikulinvv@mail.ru
Keywords: block diagram, the base unit, the quadrature signals, linearization, optimality ratios.
Abstract
It is well known that in function generators, where it is necessary to convert the signal from the triangular shape into the sinusoidal one, the most widely used are diode function generators and converters using the VAC field-effect transistors , which are based on the principle of piecewise linear or piecewise -nonlinear approximation of sinusoidal voltage . However, the full range of core requirements (low harmonic distortion , no constant component in the signal sine wave , a wide range of operating frequencies, invariance to changes in the signal amplitude of the triangular forms, etc.) is quite difficult to achieve when using diode functional converters. The article discusses widely used building block diagrams on controlled function generators and reveals their short-comings. Analysis of the source to synthesize the signal showed that there were significant (S-shaped) deviations from the reference it as on the rising and in the falling part. We obtained analyti-cal expressions for the calculation of the spectral components of the synthesized signal. The authors explore a new method for the additive signal linearization where with use of two module calcula-tors, and an adder a synthesized S-shaped signal is formed in the section of forward line (increasing voltage) as well as in the section of reverse motion (falling voltage), and then using a special correc-tion module the linearity of the signal generated is increased significantly. A new method of lineari-zation of the additive signal and analytical expressions for finding the optimal value of the "smooth-ing" factor that enables it to significantly improve the linearity of the synthesized signal was ob-tained. Averaged values of "leveling" of the coefficients for the linearization of the signal triangular shape designed. It was possible to accelerate the search for the optimal coefficients significantly improved depleting the metrological characteristics of the signal formed a triangular shape. Optimization of the developed structural scheme allowed us instead of three adders to use one adder-subtracter and instead of quads to use signals multiplier units with conjugated inputs. Analytically and programming model proved that the alignment for the fifth harmonic of the residual error is re-duced by more than 20 times. The proposed method for constructing the function generator pro-vides a sinusoidal signal, triangular and rectangular shapes with high metrological characteristics (with minimal distortion and stable amplitudes). Used solutions protected by several patents of the Russian Federation. Thus constructed, the function generator can be used in high-precision devices, electronics, automation, communication systems topics.
Reference
1. Dubrovin, V. S 2007, Orthogonal signal generator. Modern methods and means of the processing of spatio-temporal signals: scientific conference. Penza, 2007, pp. 154-156.
2. Dubrovin, VS & Nikulin, VV2007, Analog-to-digiial methods of forming orthogonal signals. Methods and tools for process control: MSUTP-2007: Proceedings of IV Intern. conf., Saransk, pp. 234-236.
3. Dubrovin, VS 2007, Voltage converter with kodoupravlyaemymi resistors. Natural and technological research: theory, methods, practice: (Interuniversity collection of scientific papers). Saransk, Issue. 7. pp. 3-6.
4. Dubrovin, VS & Zyuzin, AM 2009, Additive signal linearization method triangular shape .Mathematical methods and information technologies in economics, sociology and edu-cation: Sat Art. XXIII International Scientific and Technical Conference. Penza, pp. 182-184.
5. Dubrovin, VS & Nikulin, VV 2009, Principles of construction, analysis and synthesis of additive signal generators triangular shape. Modern problems and operation of radio systems: proceedings Sixth Russian Scientific and Practical Conference (with the participation of CIS countries), Ulyanovsk, pp. 84-87.
6. Dubrovin, VS & Ilyin, MV 2009, Definition error linearization synthesized
linearly varying signal in the environment LabView. Educational, scientific and engineering applications with LabVIEW and Technology National Instruments: Proceedings of the Eighth International Scientific and Practical Conference, Moscow, pp. 226-1-228.
7. Dubrovin, VS, Nikulin, VV, On the calculation of the spectral components of linearly varying synthesized signal. Engineering and science: problems, theory and practice: Hi. Sat scientific. tr. Saransk, 2009. Issue. 10. pp. 8-14.
8. Dubrovin, VS, Nikulin, VV 2009, Optimization coefficients "leveling" shaper linearly varying signal [electronic resource]. Electronics and electronic technologies. Electronic Journal, Spec. No 6. http://fetmag.mrsu.ru/2009 2/ pdf/linear_signal_generation.pdf.
9. Dubrovin, VS & Nikulin, VV 2009, Spectral analysis of quasi triangular shaped signal. XXXVII Ogarevsky readings: Materials Science Conference, Saransk, Part 3: Engineering. pp. 134-136.
10. Dubrovin, VS 2010,Principles of construction of function generators [electronic resource]. Electronics and Elec-tronic Technology, Issue. 2 (9). http://fetmag.mrsu.
ru/2010- 2/pdf/Oscillator.pdf.
11. Dubrovin, VS & Saigina, EA 2011, Model to optimize the parameters of the synthesized signal. Proceedings of the North Caucasus branch of the Moscow Technical University of Communications and Informatics. Rostov-on-Don, pp. 234-236.
12. Dubrovin, VS 2011, Controlled phase shifters. Measurements, automation and simulation in industry and re-search: Interuniversity collection. Bijsk, Issue. 1. pp. 38-41.
13. Dubrovin, VS 2011, Application fazovraschayuschih chains in the construction of multi-phase generators of harmonic signals [electronic resource]. Electronics and electronic technolo-gies. - Electron. journal. - Issue. 1 (10). http :// fetmag.mrsu.ru/2011-1/pdf/Phase-Shift.pdf.
14. Dubrovin, VS 2012a, Quadrature signal generator. South Siberian Scientific Bulletin. Bijsk, Issue. 2 (2), pp. 35-38.
15. Dubrovin, VS 2012b, Controlled phase shifters. South Siberian Scientific Bulletin. Bijsk, Issue. 2 (2), pp. 38-41.
16. Dubrovin, VS & Nikulin, VV 2013a, Multicircuit stabilization system controlled oscillator / Bulletin of the Astra-khan State Technical University, No 1, pp. 74-82.
17. Dubrovin, VS, Nikulin, VV 2013b, Managed quadrature generator harmonic signals / Bulletin of the Volga State Technological University Yoshkar-Ola, No 1 (17), pp. 5-11.
18. Dubrovin, VS, Nikulin, VV 2013c, Managed quadrature generator with multi-loop stabilization system, Problems of Information Transmission in the Infocomm systems: Materials of Russian Scientific and Practical Conference, Volgograd, May 22, pp. 33-37.
19. Nikulin, VV & Zakharzhevsky, OA & Dubrovin, VS 2010, Filters communication devices: a tutorial. In 2 parts Part 1. Analog electrical filters, Saransk Univ Mordovia University Press, 108 p.
20. Notkin, LR 1983, Function generators and their application. Moskau, Radio and communication, 184 p.
21. Dubrovin, VS & Zyuzin, AM 2009a, Patent 81859 Russian Federation MPK7 H 03 K 4/06. Analog-to-digital signal conditioner additive triangular shape , № 2008146321/22; appl. 24.1 1.08, publ. 27.03.09, Bull. No 9, 12 p.
22. Dubrovin, VS & Zyuzin, AM 2009b, Patent 81860 Russian Federation MPK7 H 03 K 4/06. Additive signal shaper triangular shape, № 2008146300/22; appl. 24.1 1.08, publ. 27.03.09, Bull. No 9, 6 p.
23. Dubrovin, VS & Zyuzin, AM 2009c, Patent 83669 Russian Federation MPK7 H 03 K 4/06. Additive signal shaper triangular shape , № 2009103327/22; appl. 02.02.09, publ. 10.06.09, Bull. No 16, 8 p.
24. Dubrovin, VS & Zyuzin, AM 2009d, Patent 83670 Russian Federation MPK7 H 03 K 4/06. Additive signal shaper triangular shape , № 2009103333/22; appl. 02.02.09, publ. 10.06.09, Bull. No 16, 3 p.
25. Dubrovin, VS & Zyuzin, AM 2010, Patent 101291 Russian Federation, MPK7 H 03 B 27/00. Function Generator , No 2010137125/09; appl.
06.09.10, publ. 10.01.11, Bull. No 1, 7 p.
26. Dubrovin, VS & Zyuzin AM 2011, Patent 104402 Russian Federation, MPK7 H 03 B 27/00. Function Generator , No 2011100735/09; appl.
12.01.11, publ. 10.05.11, Bull. No 13, 8 p.
27. Dubrovn, VS & Zyuzin, AM 2012, Patent 127554 Russian Federation, MPK7 H 03 B 27/00. Quadrature signal generator, No 2012138489/08; appl. 07.09.12, publ. 27.04.13, Bull. No 12, 1 p.
