RU2022447C1

RU2022447C1 - Phase-modulated pulse sequence shaper for exciting resonance-tuned load

Info

Publication number: RU2022447C1
Application number: SU4931475/09A
Authority: RU
Inventors: В.А. Александров; В.А. Галахов; Г.А. Фролов
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор"
Priority date: 1991-04-29
Filing date: 1991-04-29
Publication date: 1994-10-30

Abstract

FIELD: pulse technique. SUBSTANCE: device has pulse shaper 1, paraphase pulse-width modulator 2, pulse distributors 3,9, dual-channel gate amplifier 4, phase shifters 5,6, logic adders 7,8, logic switch 10, and phase-shifting circuit 11. EFFECT: reduced nonlinear distortions in extending output signal dynamic range due to specific functional algorithm of shaper components. 3 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в передающих трактах большой и средней мощности. The invention relates to a pulse technique and is intended for use in transmission paths of large and medium power.

Известны методы возбуждения в резонансной нагрузке амплитудно-модулированных высокочастотных (ВЧ) колебаний, низкочастотная (НЧ) огибающая которых выделяется в среде распространения колебаний в силу ее нелинейных свойств. В качестве формирователей таких сигналов могут быть использованы известные устройства, содержащие формирователь импульсов, ключевой амплитудный регулятор и ключевой генератор, соединенный выходами с шинами резонансной нагрузки. Known methods of excitation in a resonant load of amplitude-modulated high-frequency (HF) oscillations, the low-frequency (LF) envelope of which is allocated in the medium of propagation of oscillations due to its nonlinear properties. Known devices comprising a pulse shaper, a key amplitude regulator and a key generator connected by the outputs to the resonant load buses can be used as shapers of such signals.

К недостаткам известных устройств следует отнести пониженную энергетическую эффективность, вызванную наличием двух последовательных звеньев ключевого преобразования, повышенные искажения и ограниченный динамический диапазон выходного сигнала. Кроме того, следует отметить низкую эффективность процесса выделения НЧ-составляющих в среде распространения из ВЧ-сигнала, модулированного по амплитуде. The disadvantages of the known devices include reduced energy efficiency caused by the presence of two consecutive key conversion links, increased distortion and a limited dynamic range of the output signal. In addition, it should be noted the low efficiency of the process of separating the LF components in the propagation medium from the RF signal modulated in amplitude.

Этот недостаток устранен в устройстве, которое наиболее близко к предлагаемому. В нем реализован метод формирования на нагрузке сигнала биений U, который представляется суммой двух ВЧ-колебаний с частотами ω₁ и ω₂, симметрично сдвинутыми относительно центральной частоты ω_она величину Ω , определяемую частотой НЧ-сигнала: U =

[cos(ω_o+ Ω)t+cos(ω_o- Ω)t]= m cos Ω t· cosω_ot где m - амплитуда НЧ-огибающей сигнала биений.This disadvantage is eliminated in the device that is closest to the offer. It implements a method of generating a beating signal U on a load, which is represented by the sum of two high-frequency oscillations with frequencies ω ₁ and ω ₂ symmetrically shifted relative to the center frequency ω _о by the value Ω, determined by the frequency of the low-frequency signal: U =

[cos (ω _o + Ω) t + cos (ω _o - Ω) t] = m cos Ω t · cosω _o t where m is the amplitude of the LF envelope of the beat signal.

Устройство содержит выпрямитель и нуль-орган, входы которых соединены с шиной НЧ-сигнала, а также формирователь импульсов, широтно-импульсный модулятор, распределитель импульсов, двухканальный ключевой усилитель и фазовращатель. The device contains a rectifier and a zero-organ, the inputs of which are connected to the low-frequency signal bus, as well as a pulse shaper, a pulse-width modulator, a pulse distributor, a two-channel key amplifier and a phase shifter.

Принцип действия устройства основан на преобразовании НЧ-сигнала U

= mcos Ω t в разнополярную последовательность импульсов V₄ с частотой следования ω_o и фазовой манипуляицей по переходу через нуль НЧ-сигнала. При этом длительность импульсов определяется абсолютной величиной НЧ-сигнала. Подавление ВЧ-гармоник такого импульсного напряжения (с частотами более 2 ω_o) позволяет выделить на нагрузке сигнал биений с огибающей, определяемой НЧ-сигналом.The principle of operation of the device is based on the conversion of the low frequency signal U

= mcos Ω t into a bipolar sequence of pulses V ₄ with a pulse repetition rate ω _o and a phase manipulator for crossing the low-frequency signal through zero. In this case, the pulse duration is determined by the absolute value of the low-frequency signal. Suppression of the HF harmonics of such a pulsed voltage (with frequencies greater than 2 ω _o ) makes it possible to isolate a beating signal with an envelope determined by the LF signal on the load.

К основным недостаткам такого устройства относится повышенный уровень нелинейных искажений огибающей сигнала биений, особенно при малых уровнях НЧ-сигнала, что ограничивает динамический диапазон изменения сигнала биений. Это обстоятельство объясняется наличием выпрямителя в цепи преобразования НЧ-сигнала, а также необходимостью усиления коротких импульсов при малых его значениях. The main disadvantages of such a device include an increased level of non-linear distortion of the envelope of the beat signal, especially at low levels of the low-frequency signal, which limits the dynamic range of the beat signal. This circumstance is explained by the presence of a rectifier in the LF signal conversion circuit, as well as by the need to amplify short pulses at low values.

Целью изобретения является уменьшение искажений при расширении динамического диапазона выходного сигнала. The aim of the invention is to reduce distortion while expanding the dynamic range of the output signal.

Это достигается в устройстве, содержащем формирователь импульсов с двумя выходами, выход сигнала опорной частоты которого соединн с первым входом широтно-импульсного модулятора, первый фазовращатель, первый распределитель импульсов и двухканальный ключевой усилитель, выходы которого являются выходами для подключения резонансной нагрузки, введением в его состав последовательно соединенных логического коммутатора, второго распределителя импульсов, первого логического сумматора и второго фазовращателя, а также второго логического сумматора и фазосдвигающей цепи. This is achieved in a device containing a pulse shaper with two outputs, the output of the reference frequency signal of which is connected to the first input of a pulse-width modulator, the first phase shifter, the first pulse distributor, and a two-channel key amplifier, the outputs of which are outputs for connecting a resonant load, introducing into its composition connected in series with a logical switch, a second pulse distributor, a first logical adder and a second phase shifter, as well as a second logical mmatora and phase-shifting circuit.

Широтно-импульсный модулятор выполнен в виде парафазного широтно-импульсного модулятора, первый и второй выходы которого подключены к соответствующим входам логического коммутатора, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первого и второго распределителей импульсов. Выход сигнала удвоенной опорной частоты формирователя импульсов с двумя выходами соединен с первым входом фазосдвигающей цепи и другими входами первого и второго распределителей импульсов. Выход фазосдвигающей цепи соединен с первым входом первого фазовращателя и другим входом второго фазовращателя, а первый и второй выходы первого распределителя импульсов - соответственно с первым входом второго и другим входом первого логических сумматоров. Выход второго логического сумматора подключен к второму входу первого фазовращателя, а его другой вход - к другому выходу второго распределителя импульсов. Двухканальный ключевой усилитель своими входами соединен с соответствующими выходами первого и второго фазовращателей, при этом второй вход фазосдвигающей цепи подключен к выходу сигнала опорной частоты формирователя импульсов, а второй вход парафазного широтно-импульсного модулятора является входом НЧ-сигнала предложенного устройства. The pulse-width modulator is made in the form of a paraphase pulse-width modulator, the first and second outputs of which are connected to the corresponding inputs of the logical switch, the first and second outputs of which are connected to the first inputs of the first and second pulse distributors. The signal output of the doubled reference frequency of the pulse shaper with two outputs is connected to the first input of the phase-shifting circuit and other inputs of the first and second pulse distributors. The output of the phase-shifting circuit is connected to the first input of the first phase shifter and the other input of the second phase shifter, and the first and second outputs of the first pulse distributor are respectively connected to the first input of the second and other input of the first logical adders. The output of the second logical adder is connected to the second input of the first phase shifter, and its other input to the other output of the second pulse distributor. The two-channel key amplifier is connected by its inputs to the corresponding outputs of the first and second phase shifters, while the second input of the phase-shifting circuit is connected to the output of the reference signal of the pulse shaper, and the second input of the paraphase pulse-width modulator is the input of the low-frequency signal of the proposed device.

Такая новая совокупность блоков и связей позволяет обеспечить непосредственное (без выпрямления) преобразование НЧ-сигнала в две фазомодулированных импульсных последовательности. При этом малым уровням НЧ-сигнала соответствует усиление двух практически противофазных последовательностей импульсов типа меандр, что может быть оебспечено практически без существенных искажений. Such a new set of blocks and links allows direct (without rectification) conversion of the LF signal into two phase-modulated pulse sequences. In this case, the amplification of two practically antiphase sequences of pulses of the meander type corresponds to low levels of the LF signal, which can be achieved practically without significant distortions.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предложенного устройства с примерами возможной реализации функциональных блоков; на фиг.2 и 3 приведены временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства-прототипа и предлагаемого устройства. In FIG. 1 shows a functional diagram of the proposed device with examples of the possible implementation of functional blocks; figure 2 and 3 are timing diagrams of voltages that explain the operation of the prototype device and the proposed device.

Предлагаемое устройство содержит формирователь 1 импульсов, парафазный широтно-импульсный модулятор 2, фазосдвинающую цепь 11, логический коммутатор 10, распределители 3 и 9 импульсов, логические сумматоры 7 и 8, фазовращатели 5 и 6 и двухканальный ключевой усилитель 4. The proposed device comprises a pulse shaper 1, a phase-phase pulse-width modulator 2, a phase shifter circuit 11, a logical switch 10, pulse distributors 3 and 9, logic adders 7 and 8, phase shifters 5 and 6, and a two-channel key amplifier 4.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.

Формирователь 1 импульсов формирует на первом входе широтно-импульсного модулятора 2 импульсный сигнал центральной частоты f_o, преобразуемый интегратором 2.3 в два взаимно противофазных пилообразных напряжений U_п1, U_п2, поступающих на инверсные входы компараторов 2.1, 2.2.The pulse generator 1 generates at the first input of the pulse-width modulator 2 a pulse signal of central frequency f _o , converted by the integrator 2.3 into two mutually antiphase sawtooth voltages U _p1 , U _p2 supplied to the inverted inputs of the comparators 2.1, 2.2.

При поступлении на прямые входы компараторов 2.1, 2.2 НЧ-сигнала на выходах компараторов формируются последовательности импульсов V_2.1, V_2.2с однотактной широтно-импульсной модуляцией. Далее эти импульсные сигналы преобразуются логическим коммутатором 10 в две импульсные последовательности V_10.1, V_10.2, каждая из которых соответствует заданной полярности НЧ-сигнала. Сформированные таким образом импульсные сигналы V_10.1, V_10.2 через распределители 3, 9 импульсов поступают на входы соответствующих логических сумматоров 7, 8. При этом распределители 3, 9 осуществляют разделение импульсов V_10.1, V_10.2 по тактовым моментам времени, заданным сигналом удвоенной центральной частоты 2f_o. Сумматор 7 реализует объединение импульсных сигналов V_3.1(соответствующих первым частям импульсов V_10.1) и V_9.2 (соответствующих вторым частям импульсов V_10.2). Сумматор 8 объединяет импульсные сигналы V_3.2 (соответствующие вторым частям импульсов V_10.1) и V_9.1(соответствующие первым частям импульсов V_10.2).Upon receipt of the LF signal at the direct inputs of the comparators 2.1, 2.2, pulse sequences V _2.1 , V _2.2 with single-cycle pulse-width modulation are formed at the outputs of the comparators. Further, these pulse signals are converted by the logical switch 10 into two pulse sequences V _10.1 , V _10.2 , each of which corresponds to a given polarity of the low-frequency signal. Thus generated pulse signals V _10.1 , V _10.2 through the distributors 3, 9 pulses are fed to the inputs of the corresponding logical adders 7, 8. In this case, the distributors 3, 9 carry out the separation of pulses V _10.1 , V _10.2 at the clock times specified by the signal of the doubled central frequency 2f _o . The adder 7 implements the union of the pulse signals V _3.1 (corresponding to the first parts of the pulses V _10.1 ) and V _9.2 (corresponding to the second parts of the pulses V _10.2 ). The adder 8 combines the pulse signals V _3.2 (corresponding to the second parts of the pulses V _10.1 ) and V _9.1 (corresponding to the first parts of the pulses V _10.2 ).

Выходные сигналы V₇ и V₈ сумматоров 7 и 8 поступают на первые входы фазовращателей 5 и 6, на вторые входы которых подается сигнал V₁₁центральной частоты fo с выхода фазосдвигающей цепи 11. Фронт и спад импульсов V₁₁ совпадает с фронтом либо спадом выходных импульсов сумматоров 7 и 8. При этом обеспечивается временной сдвиг выходных сигналов фазовращателей относительно сигнала V₁₁ на длительность импульсов V₆ и V₅. Причем для U

> 0 обеспечивается задержка спада и фронта импульсов V₆ относительно сигнала V₁₁ и опережение спада и фронта импульсов V₅ относительно сигнала

. Для отрицательной полуволны обеспечивается задержка сигнала V₅ и опережение сигнала V₆. В результате относительный временной сдвиг между сигналами V₅, V₆ определяется длительностью импульсов V_9.1 и V_9.2 (соответственно для U

>0 и U

< 0), величина которой пропорциональна уровню НЧ-сигнала.The output signals V ₇ and V _{8 of the} adders 7 and 8 are fed to the first inputs of the phase shifters 5 and 6, to the second inputs of which a signal V _{11 of the} center frequency fo is supplied from the output of the phase-shifting circuit 11. The front and the drop of the pulses V ₁₁ coincides with the front or the drop of the output pulses adders 7 and 8. This provides a temporary shift of the output signals of the phase shifters relative to the signal V ₁₁ by the duration of the pulses V ₆ and V ₅ . Moreover, for U

> 0 provides a delay of the decline and the front of the pulses V ₆ relative to the signal V ₁₁ and the advance of the decline and the front of the pulses V ₅ relative to the signal

. For the negative half-wave, a delay of the signal V ₅ and an advance of the signal V _{6 is} provided. As a result, the relative time shift between the signals V ₅ , V ₆ is determined by the pulse duration V _9.1 and V _9.2 (respectively for U

> 0 and U

<0), the value of which is proportional to the level of the low-frequency signal.

При усилении по мощности импульсных последовательностей V₅, V₆ на выходах двухканального ключевого усилителя формируется разнополярное импульсное напряжение V₄, соответствующее выделение на резонансной нагрузке сигнала биений U. В частности, при малых уровнях НЧ-сигнала U

импульсные последовательности V₅, V₆ практически противофазны, что соответствует формированию на выходе двухканального ключевого усилителя импульсов малой длительности. Причем каналы ключевого усиления обеспечивают усиление по мощности импульсных последовательностей типа меандр так же, как при больших уровнях НЧ-сигнала.When the pulse power sequences V ₅ , V _{6 are} amplified by power, a bipolar pulse voltage V ₄ is formed at the outputs of the two-channel key amplifier, corresponding to the emission of the beat signal U at the resonant load. In particular, at low levels of the low-frequency signal U

pulse sequences V ₅ , V _{6 are} practically out of phase, which corresponds to the formation of a short-duration pulse amplifier at the output of a two-channel key amplifier. Moreover, the key gain channels provide power amplification of the pulsed meander-type sequences in the same way as at high levels of the low-frequency signal.

Claims

PHASE-MODULATED PULSE SEQUENCES FORMER FOR EXCITING RESONANT LOAD, containing a pulse shaper with two outputs, the output of the reference frequency signal of which is connected to the first input of the pulse-width modulator, the first phase shifter, the first pulse distributor and the two-channel resonant key amplifier load, characterized in that, in order to reduce non-linear distortion while expanding the dynamic range of the output signal c, a logic switch, a second pulse distributor, a first logical adder and a second phase shifter, a second logical adder, and a phase-shifting circuit, a pulse-width modulator made in the form of a paraphase pulse-width modulator, the first and second outputs of which are connected to the corresponding the inputs of the logical switch, the second output of which is connected to the first input of the first pulse distributor, while the output of the signal is twice the reference frequency of the pulse shaper two outputs are connected to the first input of the phase-shifting circuit and other inputs of the first and second pulse distributors, the output of the phase-shifting circuit is connected to the first input of the first phase shifter and the other input of the second phase shifter, the first and second outputs of the first pulse distributor are connected respectively to the first input of the second logical adder and another input of the first logical adder, the output of the second logical adder is connected to the second input of the first phase shifter, the second input of the second logical sum the ator is connected to another output of the second pulse distributor, the outputs of the first and second phase shifters are connected to the corresponding inputs of the two-channel key amplifier, the second input of the phase-shifting circuit is connected to the output of the reference frequency signal of the pulse shaper with two outputs, and the second input of the paraphase pulse-width modulator is the input of the low-frequency signal shaper sequences of phase-modulated pulses to excite a resonant load.