[1]Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к радиопередающим устройствам с дискретной фазовой модуляцией. Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании дискретного быстродействующего фазовращателя с набором фиксированных значений фазовых сдвигов 2nπ/N, n=0, 1, 2, … N-1, не зависящих от дестабилизирующих факторов и частоты входного сигнала.
[2]Поставленная задача достигается за счет того, что дискретный фазовращатель содержит усилитель-ограничитель, фазовый детектор, фильтр низких частот, генератор импульсов, делитель частоты на N, регистр сдвига, коммутатор и функциональный преобразователь, соединенные соответствующим образом между собой.
[3]Техническими результатами, обеспечиваемыми приведенной совокупностью признаков, являются:
[4]- цифровой способ задания фазы с помощью двоичного кода,
[5]- высокая точность задания фазовых сдвигов из набора фиксированных значений 2nπ/N, n=0, 1, 2, … N-1, не зависящая в том числе от частоты входного сигнала,
[6]- высокая стабильность фазового сдвига, не зависящая от дестабилизирующих факторов (температуры, питающих напряжений и др.),
[7]- высокое быстродействие (малая инерционность): при изменении управляющего кода фаза выходного сигнала изменяется за время, не превышающего половины периода частоты входного сигнала,
[8]- отсутствие паразитной амплитудной модуляции выходного сигнала фазовращателя.
[9]Сущность заявляемого технического решения поясняется фиг. 1, где представлена схема реализации дискретного фазовращателя и фиг. 2, где представлены временные диаграммы сигналов генератора импульсов 4 (а), регистра сдвига 6 и функционального преобразователя 8 (б, в, г, д, е, ж, з, и) для восьми значений фазы с дискретом 45°.
[10]Дискретный фазовращатель состоит из усилителя-ограничителя 1, фазового детектора 2, фильтра низких частот 3, генератора импульсов 4, делителя частоты 5, регистра сдвига 6, коммутатора 7 и функционального преобразователя 8.
[11]Заявляемое техническое решение поясняется во взаимодействии между отдельными элементами в процессе работы.
[12]Усилитель-ограничитель 1 соединен с первым входом фазового детектора 2. Выход генератора импульсов 4 соединен со входом делителя частоты 5 и со входом синхронизации регистра сдвига 6. Выход делителя частоты 5 соединен со вторым входом фазового детектора 2 и со входом данных регистра сдвига 6. Выход фазового детектора 2 соединен со входом фильтра низких частот 3. Выход фильтра низких частот 3 соединен с управляющим входом генератора импульсов 4. Выходы разрядов регистра сдвига 6 соединены со входами коммутатора 7. Выход коммутатора 7 соединен со входом функционального преобразователя 8. На управляющий вход коммутатора 7 поступает код фазы 9.
[13]Рассмотрим работу дискретного фазовращателя.
[14]Подлежащий фазовому сдвигу гармонический сигнал поступает на усилитель-ограничитель 1, который преобразует гармонический сигнал в прямоугольные импульсы: для положительной полуволны синусоиды выходное напряжение усилителя-ограничителя принимает максимальное положительное значение, для отрицательной полуволны выходное напряжение усилителя-ограничителя принимает минимальное (или нулевое) значение. На выходе усилителя-ограничителя 1 получается периодическая последовательность прямоугольных импульсов скважностью два (типа меандр) с частотой повторения, равной частоте повторения входного сигнала.
[15]Генератор импульсов 4 формирует периодическую последовательность прямоугольных импульсов с частотой повторения Nƒ0, которые поступают на вход делителя (на N) частоты 5, на выходе которого периодическая последовательность прямоугольных импульсов имеет частоту повторения (Nƒ0)/N=ƒ0.
[16]Фазовый детектор 2, фильтр низких частот 3, генератор импульсов 4 и делитель частоты 5 образуют схему фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) генератора импульсов 4 под параметры выходного сигнала усилителя-ограничителя 1.
[17]Выходной сигнал делителя частоты 5 поступает на один из входов фазового детектора 2, на второй вход которого подается выходной сигнал усилителя-ограничителя 1.
[18]Выходной сигнал фазового детектора 2 поступает на вход фильтра низких частот 3, выходной сигнал которого, пропорциональный разности временного положения (разности фаз) импульсных последовательностей с выхода усилителя-ограничителя 1 и делителя частоты 5, поступает на управляющий частотой вход генератора импульсов 4. Частота и временное положение (эквивалентное фазовому сдвигу) генератора импульсов 4 подстраивается таким образом, чтобы временное положение (фаза) импульсной последовательности на выходе делителя частоты 5 подстроилась под временное положение (фазу) выходного сигнала усилителя ограничителя 1. В результате работы схемы ФАПЧ через некоторое время после подачи питания на элементы схемы импульсная последовательность на выходе делителя частоты 5 будут совпадать по времени с импульсной последовательностью выходного сигнала усилителя ограничителя 1.
[19]Выходной сигнал делителя частоты 5 поступает на вход данных регистра сдвига 6, на вход синхронизации которого подается выходной сигнал генератора импульсов 4, в результате чего на выходах регистра сдвига 6 формируется N импульсных последовательностей с частотой повторения ƒ0, смещенных друг относительно друга на 1/(Nƒ0), чему соответствует эквивалентный фазовый сдвиг 2π/N.
[20]Коммутатор 7 в соответствии с кодом фазы 9 подает одну из импульсных последовательностей с выхода регистра сдвига 6 на вход функционального преобразователя 8, который путем нелинейных безинерционных преобразований формирует из прямоугольных импульсов гармонический сигнал с частотой повторения ƒ0. Фаза выходного гармонического сигнала функционального преобразователя 8 смещается относительно фазы входного сигнала усилителя-ограничителя 1 на величину 2nπ/N, n=0, 1, 2, … N-1, где значение n определяется кодом фазы 9.
[21]Величина дискрета между соседними значениями фазы определяется коэффициентом деления N делителя частоты 5 (числом разрядов k счетчика). При использовании двоичных счетчиков без обратной связи Nmax=2k. При добавлении обратной связи может быть получен любой необходимый коэффициент деления N<Nmax. Однако для правильной работы функционального преобразования 8 необходимо, чтобы импульсная последовательность на выходе делителя частоты 5 имела скважность «2» (типа меандр), что реализуется только для делителей на основе двоичных счетчиков без обратной связи. Увеличение числа разрядов делителя частоты 5 ведет к увеличению частоты повторения (Nƒ0) генератора импульсов 4.
[22]Поскольку фазовый сдвиг определяется эквивалентным сдвигом импульсной последовательности на выходе коммутатора 7, а этот сдвиг определяется кодом фазы и периодом импульсов генератора импульсов 4, то величина фазового сдвига стабильна и не зависит от дестабилизирующих факторов.
[23]В табл. 1 приведены соотношения, связывающие число разрядов делителя частоты 5 с числом значений фаз N и дискретность задания фазы.
[24]
[25]Высокое быстродействие (малая инерционность) дискретного фазовращателя определяется принципом действия коммутатора 7: при подаче кода фазы один из выходов регистра сдвига 6 соединяется со входом функционального преобразователя 8. При изменении управляющего кода фазы со входом функционального преобразователя 8 соединяется другой выход регистра сдвига 6, следовательно, для изменения фазы выходного сигнала функционального преобразователя 8 необходимо время, не превышающее половины периода частоты входного сигнала. Во всех схемах дискретного изменения фазы с реактивными (конденсаторы, катушки индуктивности) элементами дискретное изменение фазы вызывает переходные процессы, приводящие к плавному изменению фазы и амплитуды (паразитная амплитудная модуляция). Поскольку заявляемое техническое решение преобразует временной сдвиг в фазу без реактивных элементов функциональным преобразователем 8, то и паразитная амплитудная модуляция не возникает.
[26]Возможность реализации заявляемых технических решений может быть обоснована указанием на типы конкретных элементов.
[27]Большая часть схемы фиг. 1 реализуется на цифровых микросхемах (элементы 2, 5, 6, 7), причем выбор серии определяется значением частоты сигнала, фаза которого должна изменяться дискретным быстродействующим фазовращателем.
[28]Усилитель-ограничитель 1: любой компаратор или усилитель-ограничитель, например: интегральный таймер КР1006 ВИ1 (NE555). [https://ledioumal.info/spravochnik/ne555-datasheet.html?vsclid=lgho213mc9930657109], [https://rudatasheet.ru/datasheets/ne555-%D0%BF%D1%80%D0%B5%D1%86%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9-%D1%82%D0%B0%D0%B9%D0%BC%D0%B5%D1%80/?ysclid=lgho5xsmw6842146561.
[29]Фазовый детектор 2: реализуется на цифровом элементе «Исключающее ИЛИ» (Микушин А.В., Сажнев A.M., Сединин В.И. Цифровые устройства и микропроцессоры. СПб, БХВ-Петербург, 2010. [http://www.ozon.ru/context/detail/id/5021673/], Микушин А.В. Цифровой фазовый детектор [https://digteh.ru/digital/FD.php?ysclid=lghmnawzo29736485791). 1531ЛП5 (531ЛП5, КР1531ЛП5, 54F86, 74F86) 4 двухвходовых элемента «Исключающее ИЛИ». [https://www.rlocman.ru/comp/koz/adv/advh21.htm?ysclid=lghmtd 1 aqa292915537].
[30]Фильтр низких частот 3 представляет собой интегрирующую RC цепь, причем в некоторых случаях оба элемента (R и С), или один из них входят в состав схемы генератора импульсов 4.
[31]Генератор импульсов 4: любой генератор, управляемый напряжением (ГУН), например:
[32]- Генератор, управляемый напряжением К531ГГ1 (К564ГГ1, CD4046). [http://electrik.info/main/praktika/1516-mikroshema-4046-dlva-ustrovstv-s-uderzhaniem-rezonansa.html].
[33]- Широкополосный синтезатор частоты со встроенным ГУН 1508 МТ015. [https://www.milandr.ru/upload/smi/mikroskhema_shirokopolosnogo_sintezatora_chastoty_do_6ggts_so_vstroennym_gun.pdf).
[34]- Высокочастотный прецизионный функциональный генератор, формирующий на выходе треугольные, синусоидальные и прямоугольные импульсы в полосе частот от 0,1 Гц до 40 МГц МАХ038. Функциональный генератор/ частотомер на МАХ038. [https://www.radiokot.ru/circuit/digital/measure/132/?ysclid=lggfrmmv52655816370].
[35]- High-Frequency Waveform Generator MAX038. [https://radiostorage.net/uploads/File/datasheets/MAX038.pdf|.
[36]Делитель частоты 5: цифровой двоичный делитель частоты, например:
[37]- 1531ИЕ7 4-разрядный двоичный синхронный реверсивный счетчик;
[38]- КР1531ИЕ10 (74F161) 4-разрядный синхронный счетчик двоичный с асинхронным сбросом и синхронной загрузкой;
[39]- 1531ИЕ18 (54F163) 4-разрядный синхронный счетчик двоичный с синхронной загрузкой и сбросом. [https://www.rlocman.ru/comp/koz/adv/advh21.htm?vsclid=lghmtdlaqa292915537]. Для увеличения числа разрядов 4-разрядные счетчики допускают последовательное включение.
[40]Регистр сдвига 6: цифровой регистр сдвига, например, 4-разрядный универсальный сдвиговый регистр КР1531ИР11 (74F194PC). [https://www.rlocman.ru/comp/koz/adv/advh21.htm?ysclid=lghmtdlaqa292915537]. Для увеличения числа разрядов 4-разрядные сдвиговые регистры допускают последовательное включение.
[41]Коммутатор 7: цифровой коммутатор с одним выходом, например, мультиплексор 8 в 1 с 3 состояниями 1531КП15 (КР1531КП15, 54F251FM, 74F251PC). [https://www.rlocman.ru/comp/koz/adv/advh21.htm?vsclid=lghmtdlaqa292915537]. Микросхема позволяет реализовать восьмипозиционный переключатель цифровых сигналов на одно направление, причем вход разрешения CS позволяет объединять несколько мультиплексоров для увеличения числа коммутируемых входов.
[42]Функциональный преобразователь 8:
[43]- Дьяконов В.П. Генерация и генераторы сигналов. - М.: ДМК Пресс, 2009. - 384 с.
[44]- высокочастотный прецизионный функциональный генератор, формирующий на выходе треугольные, синусоидальные и прямоугольные импульсы в полосе частот от 0,1 Гц до 40 МГц МАХ038. Функциональный генератор/ частотомер на МАХ038. [https://www.radiokot.ru/circuit/digital/measure/132/?ysclid=lggfrmmy52655816370]. High-Frequency Waveform Generator MAX038. [https://radiostorage.net/uploads/File/datasheets/MAX038.pdf].
