Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ФОРМИРОВАТЕЛЬ ГАРМОНИЧЕСКИХ И ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ С ФАЗОВЫМ СЧИТЫВАНИЕМ

Никонова Г.В. 1
1 ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет»
Описан способ построения устройств, формирующих в диапазоне частот импульсные и гармонические сигналы с регулируемыми параметрами. Применение при формировании выходного сигнала относительного метода установки амплитуды при снижении быстродействия позволяет избавиться от составляющих погрешности из-за неравномерности амплитудно-частотной характеристики, рассогласования в выходном узле. В этом случае выходной сигнал и его номинальный уровень должны измеряться в одной плоскости сечения выходного узла. Оценка амплитудно-частотной характеристики в современных мостовых смесителях показывает, что любой смеситель можно привести к эквивалентной однодиодной схеме. Проведена оценка влияния параметров элементов смесителя на точность стробоскопического устройства выборки хранения. Интегральная схема смесителя позволяет полностью зарядить накопи-тельный конденсатор, так как постоянная времени заряда много меньше длительности импульсов вы-борки. Рассмотрено влияние условий работы и элементов смесителя на его параметры. Предложен фор-мирователь гармонических и импульсных сигналов с применением стробоскопического устройства вы-борки хранения, реализующий способ фазового считывания.
стробоскопическое преобразование
фазовое считывание
регулирование параметров
форма импульса
широкополосный сигнал
стробоскопическое устройство выборки хранения
1. Ильюшенко В.Н., Авдоченко Б.И., Обихватов В.Д., Покровский М.Ю., Стукач О.В., Ти-тов А.А. Пикосекундные и широкополосные устройства усиления, генерирования и управ-ления амплитудой сигналов // Труды МНТК «Спутниковые системы связи и навигации». – Красноярск, 1997. – Т. 3. – С. 330–332.
2. Кольцов Ю.В., Писарев В.В. Формирование стробирующих пикосекундных импульсов с большой активной амплитудой // Техника средств связи. Сер. РИТ. – 1985. – № 6. – С. 55–60.
3. Майстренко В.А., Никонов А.В., Крутов С.Н. Амплитудно-частотная погрешность строб-преобразователя с обратной связью // Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. – 1986. – № 1. – С. 80–82.
4. Никонов А.В., Никонова Г.В. Формирование сверхширокополосных сигналов с управля-емой формой // Научное приборостроение. – СПб, 2013. – Т. 23, № 3. – С.105–113.
5. Никонова Г.В. Стробоскопический преобразователь // А.с. 1721522 А1 SU. МКИ G 01 R 13/22, 25/04, 23.03.92.
6. Никонова Г.В. Подстраиваемый генератор синтезатора частоты УВЧ диапазона АСК // Справочно-информац. фонд Отделения НИИТЭХИМ. г. Черкассы. С. 57-58. № 190-хп 92. Реферат в Библиограф. указ. ВИНИТИ "Депонированные научные работы". – 1992. – № 9. – С. 55-56.
7. Суэтинов В.И., Тимошенков В.П., Гайдис Р.А. Интегральная схема стробсмесителя на ар-сениде галлия // Техн. ср-в связи. Сер. РИТ. – 1987. – Вып. 4. – С. 80–87.
8. Nikonov A.V., Nikonova G.V. A frequency converter with controllable characteristics // Meas-urement Techniques. – 2008. – Т. 51, № 1. – С.74–81.
9. Nikonov A.V., Nikonova G.V. Frequency synthesizer for automated control systems of the ultra-high frequency range // Приборы и техника эксперимента. – 1993. – № 1. – С. 159–163.

Введение

Формирователи сигналов различной формы с регулируемыми параметрами используются в разнообразных устройствах. В настоящее время они широко применяются в таких средствах, как генераторы-калибраторы амплитуды, генераторы временных интервалов и калибраторы фазы. Известные способы формирования сигналов импульсной формы используют различные способы и схемные решения. Наиболее часто для построения широкополосных высокоскоростных формирователей используются токовые переключатели, аналоговое мультиплексирование с раздельным регулированием временных параметров и электронные компоненты с накоплением заряда [2].

Цель исследования

Быстродействие формирователей недостаточно высоко из-за большого времени рассасывания у ключей на транзисторах, входящих в их состав. Синтез табличным методом, когда программно вычисляются реализации сигнала, записываются в память с последующим циклическим считыванием на цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП), не является быстродействующим, способным работать в ОВЧ–УВЧ диапазонах. Широкополосные устройства управления амплитудой сигналов [4], обладая полосой пропускания от 1 МГц до 7 ГГц, имеют малое максимальное входное напряжение (до 0,15 В). Регулировка амплитуды электронно-управляемым аттенюатором на pin-диодах ведёт к большой погрешности за счёт коэффициента стоячей волны напряжения, достигающего значения 2.

Оценка классического способа формирования импульса путём суммирования трёх линейно изменяющихся сигналов показывает, что при тактовой частоте 50 МГц и ограничении ширины спектра на уровне 1 % полоса пропускания трактов передачи сигналов и сумматора должна достигать 5 ГГц [4].

В области частот более 30 МГц точность установки амплитуды в широком динамическом диапазоне (ДД) значительно ухудшается: погрешность достигает 20–40 % в диапазоне частот 1–3 ГГц при амплитудах до 0,1 В [1].

То есть, формирование и регулирование амплитуды импульса возможно различными способами, но область их применения ограничивается максимальной частотой, требуемым малым временем установления амплитуды, малым дискретом и большим динамическим диапазоном (ДД) регулирования.

Методы исследования

Предлагается использовать устройства, базирующиеся на фазовых методах и преобразовании частоты. Такие формирователи могут служить управляемыми по точности узлами в составе соответствующих средств измерений. В указанном плане предложен формирователь гармонических и импульсных сигналов (рисунок 1), реализующий способ фазового считывания. Формирование импульсного сигнала с использованием гармонического в качестве опорного связано с применением стробоскопического устройства выборки хранения (СУВХ) на основе стробпреобразователя с обратной связью (СПОС), когда следящая обратная связь устраняет спад плоской вершины импульса во время хранения [3].

Рисунок 1. Формирователь гармонического и импульсного сигналов

Работа структуры происходит в два этапа. Сначала устанавливается номинальный уровень напряжения Uн выходного сигнала опорного генератора 1 с помощью аттенюатора 2 по вольтметру 6. При этом регулировкой системы автоподстройки фазы (АПФ) 8 устанавливается максимум напряжения. В этом случае в СПОС 3 происходит считывание амплитуды входного сигнала, а система АПФ 8 работает по углу 90 О. Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) 10 обеспечивает работу в диапазоне частот.

Изменяя положение стробимпульса системой АПФ 8 относительно гармонического сигнала на выходе аттенюатора 2, на выходе устройства получим импульсный сигнал, амплитуда которого определяется как Uнsinj (индицируется индикатором 9). Это обеспечивает высокое быстродействие и широкий частотный диапазон, получение импульсов обеих полярностей и регулировку длительности импульса с шагом, равным периоду гармонического сигнала. Применение относительного метода установки амплитуды, при снижении быстродействия, позволяет избавиться от составляющих погрешности из-за неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и рассогласования в выходном узле [8]. Выходной сигнал и его номинальный уровень измеряются в одной плоскости сечения на выходе.

Но основной недостаток устройств с обработкой информации на постоянном токе – температурная нестабильность рабочей точки смесителя СУВХ [6]. Поэтому целесообразно использовать двухканальную структуру (рисунок 2). При идентичности каналов структура позволит минимизировать погрешность за счёт амплитудной и временной нестабильности стробимпульсов [5]. В формирователе производится стробирование в точках экстремумов, и в каждом канале стробируется экстремальное значение только одного знака, отличное от знака экстремума в другом канале. Запомненные значения сигналов подаются на каскад вычитания, и вольтметр постоянного тока измеряет напряжение:

, (1)

где UmВЫХ – напряжение на выходе СУВХ, равное амплитудному значению сигнала на выходе формирователя; Du – паразитное изменение выходного напряжения СУВХ.

Рисунок 2. Широкополосный формирователь гармонического сигнала

В зависимости от необходимой точности установки амплитуды выходного сигнала, можно использовать конкретный вольтметр постоянного тока. Высокая точность систем АПФ 90О и 270О (узлы 9 и 4) и качественное формирование стробимпульсов (узлы 5 и 10) обусловлены работой на фиксированной частоте за счёт ДПКД 16 [9].

Результаты исследования

Проведём оценку влияния параметров элементов смесителя на точность СУВХ. Интегральная схема смесителя позволяет полностью зарядить накопительный конденсатор СН, так как постоянная времени заряда много меньше длительности импульсов выборки. Рассмотрим влияние условий работы и элементов смесителя на его параметры. Будем использовать следующее выражение для полосы пропускания [7]:

, (2)

где С – барьерная ёмкость диода мостового ключа; tС – длительность стробимпульса по уровню открывания ключа; fН = 1/2ptН – полоса пропускания при идеальном стробимпульсе.

Исследование проводилось с интегральной схемой 04ПП002 [7]. Эго результаты показали, что полоса пропускания обратно пропорциональна tН и равна 3 ГГц при СН = 0,5 пФ, зависит от выходного сопротивления тракта RВ­ и сопротивления базы диода R Д в мостовом ключе. Значение С ограничивает точность СУВХ за счёт перераспределения заряда конденсатора СН: увеличение С на 10 % ведёт к аналогичному увеличению погрешности фиксации.

Моделирование в MATCAD показало, что увеличение С от 0,075 пФ до 0,75 пФ уменьшает полосу пропускания на 3 %. Данные соответствуют длительности стробимпульса tС = 10 пс по уровню открывания мостового ключа (рисунок 1а).

Рисунок 1. Результаты моделирования характеристик CУВХ

Величина коэффициента передачи УВХ КП и погрешность в частотном диапазоне зависят от значения С, входной ёмкости буферного каскада и разрядного ключа. Диапазон возможных значений КП лежит в интервале 0,4–0,95 (рисунок 1б). В основу расчётов положено выражение:

, (3)

где RP – сопротивление источников сигналов; СД – ёмкость разрядной схемы.

Шум СУВХ («белый шум») определяется сопротивлением базы диода и выходного сопротивления тракта по выражению, зависящему от спектральной плотности фликкер-шума транзистора, верхней и нижней частот АЧХ усилителя запомненных сигналов. Среднее значение квадрата действующего напряжения шума, приведённого к входу СУВХ, определится:

 (4)

где А – параметр, определяющий спектральную плотность фликкер-шума транзистора (А» 5×10–11 В2); fBЕР, fHИЖ – верхняя и нижняя частоты усилителя запомненных сигналов. Данные моделирования приведены на рисунке 1в.

Заключение

Предложен формирователь гармонических и импульсных сигналов с применением стробоскопического устройства выборки хранения (СУВХ), реализующий способ фазового считывания. Оценки характеристик СУВХ являются результатом проявления многих факторов, математические модели которых можно определить, а также установить коэффициенты влияния на суммарную погрешность. Проведена оценка влияния параметров элементов смесителя на точность СУВХ. Рассмотрено влияние условий работы и элементов смесителя на его параметры. При нахождении зависимости коэффициента передачи от частоты сделано допущение, что в диапазоне частот искажение стробимпульсов не происходит. Выявлены погрешности за счёт нелинейности амплитудной характеристики и за счёт неидеальности стробсигналов и определено, что они являются широкополосной помехой. Исследовано, что использование двухканальной структуры формирователя, при идентичности каналов, позволяет минимизировать погрешность за счёт амплитудной и временной нестабильности стробимпульсов.

Рецензенты:

Кузнецов А.А., д.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника» ФГБОУ ВПО Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск.

Бирюков С.В., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Физика» ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» (СибАДИ), г. Омск.


Библиографическая ссылка

Никонова Г.В. ФОРМИРОВАТЕЛЬ ГАРМОНИЧЕСКИХ И ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ С ФАЗОВЫМ СЧИТЫВАНИЕМ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=11641 (дата обращения: 06.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074