RU2485667C2

RU2485667C2 - Two-phase lc-generator of quadrature harmonic oscillations

Info

Publication number: RU2485667C2
Application number: RU2011124221/08A
Authority: RU
Inventors: Игорь Анатольевич Ермоленко
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2013-06-20
Also published as: RU2011124221A

Abstract

FIELD: radio engineering, communications.

SUBSTANCE: two-phase LC-generator of quadrature harmonic oscillations comprises a parallel oscillating LC-circuit, a double-cascade non-inverting active amplifying broadband element, the first cascade of which shall have larger input resistance, and the second cascade shall have larger output resistance, serially with an inductance coil L in the circuit there is a resistive element with low resistance or its equivalent, to which the input of the additional broadband amplifier is connected, at the output of which harmonic oscillations are produced, which are quadrature relative to harmonic oscillations at the output of the first cascade of the active element.

EFFECT: development of an LC-generator of two quadrature oscillations with a fixed phase shift, not varying in process of frequency tuning of generated oscillations.

2 cl, 1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам формирования (генерации) гармонических электрических колебаний одной частоты с различными фазами.The invention relates to radio engineering, in particular to devices for the formation (generation) of harmonic electrical oscillations of the same frequency with different phases.

Уровень техникиState of the art

Известны методы и устройства формирования (генерации) гармонических электрических колебаний одной частоты с различными фазами (обычно сдвинутыми по фазе на π/2) [1-6], основанные на использовании фазосдвигающих RC-цепей (интегрирующих или дифференцирующих). Это, например, многофазные RC-генераторы в [1], измерительные низкочастотные генераторы квадратурных гармонических колебаний (с фазовым сдвигом π/2) и колебаний сложной формы типа Г6-15, Г6-26 и др. [2]. Генератор трехфазных гармонических колебаний с тремя последовательно включенными интегрирующими RC-усилителями [3], а также RC-генератор с двумя интегрирующими цепочками, конденсаторы в которых заземлены и выполнены в виде сдвоенного переменного конденсатора, обеспечивающего плавную перестройку частоты колебаний с сохранением постоянного сдвига фазы [4]. Такой двухфазный генератор гармонических колебаний с двумя интегрирующими усилителями был запатентован в [5], а в [6] предложен образец такого генератора квадратурных синусоидальных сигналов с малыми нелинейными искажениями, с колебательным звеном на основе двух интеграторов и инвертора, работающий в диапазоне частот от 1 Гц до 200 кГц.Known methods and devices for the generation (generation) of harmonic electrical oscillations of the same frequency with different phases (usually phase shifted by π / 2) [1-6], based on the use of phase-shifting RC circuits (integrating or differentiating). These are, for example, multiphase RC generators in [1], measuring low-frequency generators of quadrature harmonic oscillations (with π / 2 phase shift) and complex-shaped oscillations of the type G6-15, G6-26, etc. [2]. A three-phase harmonic oscillator with three integrating RC amplifiers in series [3], as well as an RC generator with two integrating circuits, in which the capacitors are grounded and made in the form of a double variable capacitor, which provides smooth tuning of the oscillation frequency while maintaining a constant phase shift [4 ]. Such a two-phase harmonic oscillator with two integrating amplifiers was patented in [5], and in [6] a sample of such a quadrature sinusoidal signal generator with small nonlinear distortions, with an oscillating link based on two integrators and an inverter, operating in the frequency range from 1 Hz, was proposed up to 200 kHz.

Известные устройства для генерации двухфазных (квадратурных) гармонических колебаний на основе RC-интеграторов, таким образом, могут работать только в диапазоне низких частот (до сотен кГц), что является их главным недостатком. Кроме того, RC-генераторы имеют, как известно, невысокую стабильность частоты.Known devices for generating two-phase (quadrature) harmonic oscillations based on RC integrators, thus, can only work in the low frequency range (up to hundreds of kHz), which is their main drawback. In addition, RC generators have, as you know, low frequency stability.

На более высоких частотах (единицы-десятки МГц) наибольшее распространение для генерации гармонических колебаний получили LC-генераторы на полупроводниковых активных элементах [8]. В них частота генерации задается L и С элементами, образующими резонансный колебательный контур, а перестройка этой частоты осуществляется, как правило, изменением емкости контура (С) при использовании переменного конденсатора или, например, варикапов (при электронной перестройке частоты генерации). При обширном многообразии различных схем LC-генераторов [8, 9] наибольшее распространение получили так называемые «трехточечные» (ТТ) схемы, содержащие, как правило, однотранзисторный активный элемент (биполярный (БТ) или полевой (ПТ) транзистор) и три реактивных элемента (L, С), определяющих не только частоту генерации, но и величину коэффициента обратной связи (положительной, за счет которой и обеспечивается возбуждение колебаний в генераторе). При этом различают индуктивные ТТ схемы (с двумя L и одним С элементами) и емкостные ТТ схемы (с одним L и двумя С-элементами). Однако эти простые ТТ схемы обеспечивают не самую высокую стабильность частоты генерируемых колебаний, которая ограничивается величиной эквивалентной (нагруженной) добротности колебательного L, С-контура О_Э. В ТТ схемах этот контур шунтируется как выходным, так и входным сопротивлениями активного элемента (которое мало у БТ), поэтому величина его эквивалентной добротности О_Э оказывается не очень высокой.At higher frequencies (several tens of MHz), LC generators based on semiconductor active elements are most widely used to generate harmonic oscillations [8]. In them, the generation frequency is set by L and C with elements forming a resonant oscillatory circuit, and the tuning of this frequency is carried out, as a rule, by changing the capacitance of the circuit (C) when using a variable capacitor or, for example, varicaps (with electronic tuning of the generation frequency). With a wide variety of different LC-generator circuits [8, 9], the so-called “three-point” (CT) circuits, which usually contain a single-transistor active element (bipolar (BT) or field (PT) transistor) and three reactive elements), are most widely used. (L, C), which determine not only the generation frequency, but also the value of the feedback coefficient (positive, due to which the excitation of oscillations in the generator is ensured). In this case, inductive CT circuits are distinguished (with two L and one C elements) and capacitive CT circuits (with one L and two C elements). However, these simple CT circuits do not provide the highest frequency stability of the generated oscillations, which is limited by the value of the equivalent (loaded) quality factor of the oscillatory L, C-circuit О _Э. In TT circuits, this circuit is shunted by both the output and input resistances of the active element (which is small for BT), therefore, the value of its equivalent Q factor О _Э is not very high.

Наименьшее шунтирование LC-контура и, следовательно, наибольшая величина Q_Э достигаются в так называемых «двухточечных» схемах LC-генераторов [8, 9], в которых используется параллельный LC-контур (с «полным» включением) и активный элемент из двух-трех транзисторов. Так, например, в схеме генератора со стабилизатором тока ([8]. - С.104, рис.7.13) используется параллельный LC-контур, подключенный ко входу ПТ. Положительная обратная связь осуществляется через стабилизатор тока на двух ВТ, образующих «токовое зеркало», вход которого подключен к выходу ПТ, а выход подключен к контуру. Стабилизируемый ток регулируется переменным резистором (в цепях эмиттеров БТ). В этой схеме контур шунтируется входным сопротивлением ПТ (которое велико) и выходным сопротивлением генератора стабильного тока (оно тоже велико), поэтому величина О_Э и стабильность частоты этого генератора примерно в 10 раз выше, чем у других подобных генераторов [8]. Похожая (но более простая) схема «двухточечного» LC-генератора приведена в [9] (на с.78, рис.2.31), в которой используется активный элемент на ПТ (по схеме с общим истоком с большим R_ВХ и на БТ (с общим эмиттером с большим R_вых). Эта схема идентична схеме высокостабильного двухточечного генератора из более раннего источника [10], в котором приводятся некоторые экспериментальные данные, подтверждающие гораздо более высокую стабильность частоты (кратковременную) этого генератора по сравнению с ТТ схемами.The smallest shunting of the LC circuit and, therefore, the largest value of Q _{O are} achieved in the so-called “two-point” LC generator circuits [8, 9], which use a parallel LC circuit (with “full” inclusion) and an active element of two three transistors. So, for example, in a generator circuit with a current stabilizer ([8]. - P.104, Fig. 7.13), a parallel LC circuit connected to the input of the transformer is used. Positive feedback is provided through a current regulator on two VTs forming a “current mirror”, the input of which is connected to the output of the PT, and the output is connected to the circuit. The stabilized current is regulated by a variable resistor (in BT emitter circuits). In this circuit, the circuit is shunted by the input impedance of the PT (which is large) and the output resistance of the stable current generator (it is also large), therefore, the value of _Oe and the frequency stability of this generator are approximately 10 times higher than that of other similar generators [8]. A similar (but simpler) scheme of a “two-point” LC generator is given in [9] (on p. 78, Fig. 2.31), in which an active element is used on the PT (according to the scheme with a common source with a large R _BX and on the BT ( with a common emitter with a large R _o ) This circuit is identical to the circuit of a highly stable point-to-point generator from an earlier source [10], which provides some experimental data confirming the much higher frequency stability (short-term) of this generator compared to CT circuits.

Среди многочисленных вариантов схем LC-генераторов, однако, не было найдено генераторов гармонических колебаний квадратурных с двумя выходами с фиксированным сдвигом фазы π/2, сохраняющимся при перестройке частоты генерируемых колебаний.Among the numerous options for LC generator circuits, however, no quadrature harmonic oscillators with two outputs with a fixed phase shift π / 2, which was preserved during the tuning of the frequency of the generated oscillations, were not found.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Целью настоящего изобретения является создание LC-генератора двух квадратурных колебаний с фиксированным сдвигом фазы π/2, не изменяющимся при перестройке частоты генерируемых колебаний. Способ получения таких колебаний основан на использовании известной взаимосвязи между током в катушке индуктивности ί_L(1) (0 и напряжением на ней u_L(t)=L dί_L/dt (см., например, [7]). При гармоническом воздействии u_L(t)=Ucosωt, в частности (как показано в [7] на с.54), ток ί_L(t)=(U/ωL) sinωt=I_Lcos(ωt-π/2) также (как и u_L) имеет форму гармонического колебания, сдвинутого по фазе на π/2. Поэтому, включив последовательно с катушкой индуктивности L постоянный резистор R с малым сопротивлением (RR<<ωL), получим при гармоническом напряжении на катушке индуктивности L u_L=Ucoscot на резистивном элементе напряжение, пропорциональное току в катушке индуктивности ί_L(t) в виде U_r(t)=R·I_lcos(ωt-π/2) гармонического напряжения, сдвинутого по фазе на π/2. Для реализации этого способа получения квадратурных гармонических колебаний лучше всего подходит рассмотренная выше схема «двухточечного» LC-генератора с полным включением параллельного LC-контура (прототип) [8, 9, 10]. Схема функциональная предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Она содержит колебательный контур 1, включающий в себя катушку индуктивности L и емкостную цепь 2, составленную (в общем случае) из конденсатора постоянной емкости С_о и переменного конденсатора С_П (для перестройки частоты генерируемых колебаний), а также варикапов (для электронной перестройки частоты). Активный элемент генератора 3 включает в себя последовательно соединенные широкополосные усилительные каскады (инвертирующие (оба) или неинвертирующие) 4 с большим входным сопротивлением и 5 (с большим выходным сопротивлением), при этом вход каскада 4 и выход каскада 5 соединены вместе с одним полюсом колебательного контура 1, другой вывод которого соединен с общей шиной общей для контура и усилителей (всех), как показано на фиг.1 Для осуществления положительной обратной связи и возбуждения генератора усилительные каскады 4 и 5 должны вместе обеспечивать достаточное усиление и «нулевой» суммарный фазовый сдвиг φ=0+2πn (где n - целое число) выходных колебаний каскада 5 относительно входных колебаний каскада 4. Имеется также (в общем случае) выходной буферный широкополосный усилительный каскад 6 (инвертирующий или неинвертирующий), вход которого соединен с выходом активного элемента 3 (например, с выходом каскада 4), а выход 7 является одним выходом устройства. Для одновременного получения квадратурных колебаний последовательно с катушкой индуктивности L в контуре включен резистивный элемент 8 R с малым сопротивлением (или его эквивалент), к которому присоединен вход дополнительного широкополосного усилителя 9, к выходу которого (в общем случае) подключен еще и буферный широкополосный выходной усилительный каскад 10 (инвертирующий или неинвертирующий), выход которого образует другой выход устройства 11, гармонический сигнал которого сдвинут по фазе на 90° (π/2) относительно сигнала на выходе 7.The aim of the present invention is to provide an LC generator of two quadrature oscillations with a fixed phase shift π / 2, which does not change when the frequency of the generated oscillations is tuned. The method for obtaining such oscillations is based on using the well-known relationship between the current in the inductor ί _L (1) (0 and the voltage u _L (t) = L dί _L / dt on it (see, for example, [7]). u _L (t) = Ucosωt, in particular (as shown in [7] on p. 54), the current ί _L (t) = (U / ωL) sinωt = I _L cos (ωt-π / 2) also (as and u _L ) takes the form of a harmonic oscillation phase-shifted by π / 2. Therefore, having connected in series with the inductor L a constant resistor R with a small resistance (RR << ωL), we obtain for harmonic voltage on the inductor L u _L = Ucoscot on p resistive element voltage proportional to the current in inductor ί _L (t) in the form _{U r (t) = R ·} I l cos (ωt-π / 2) of the harmonic voltage shifted in phase by π / 2. To implement this method for producing quadrature harmonic oscillations is best suited to the above scheme of the "two-point" LC generator with the full inclusion of a parallel LC circuit (prototype) [8, 9, 10]. The functional diagram of the proposed device is presented in figure 1. It contains an oscillatory circuit 1, which includes an inductor L and a capacitive circuit 2, composed (in the general case) of a constant capacitor C _о and an alternating capacitor C _P (for tuning the frequency of the generated oscillations), as well as varicaps (for electronic tuning of the frequency ) The active element of the generator 3 includes series-connected wideband amplifier stages (inverting (both) or non-inverting) 4 with a large input impedance and 5 (with a large output impedance), while the input of the cascade 4 and the output of the cascade 5 are connected together with one pole of the oscillating circuit 1, the other terminal of which is connected to a common bus common to the circuit and amplifiers (all), as shown in FIG. 1 In order to provide positive feedback and excite the generator, the amplifier stages 4 and 5 must together ensure sufficient amplification and a “zero” total phase shift φ = 0 + 2πn (where n is an integer) of the output oscillations of the cascade 5 relative to the input oscillations of the cascade 4. There is also (in the general case) an output buffer wideband amplifier stage 6 (inverting or non-inverting) the input of which is connected to the output of the active element 3 (for example, with the output of the cascade 4), and the output 7 is one output of the device. In order to simultaneously obtain quadrature oscillations in series with the inductor L, a resistive element 8 R with low resistance (or its equivalent) is connected in the circuit, to which the input of the additional broadband amplifier 9 is connected, the output of which (in the general case) is also connected to the buffer wideband output amplifier cascade 10 (inverting or non-inverting), the output of which forms another output of the device 11, the harmonic signal of which is phase shifted by 90 ° (π / 2) relative to the signal at the output 7.

Схема предложенного генератора может быть упрощена при включении в контур последовательно с катушкой индуктивности L входа дополнительного усилителя 9 с малым входным сопротивлением R_ВX (которое будет выполнять функцию резистивного элемента R в схеме на фиг.1), например с входным каскадом, выполненном на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой. Для уменьшения изменения амплитуды колебаний на другом выходе 11 при перестройке частоты (это вытекает из зависимости от частоты амплитуды тока в катушке индуктивности I_L=U/ωL) дополнительный усилитель 9 следует выполнить с цепью автоматической регулировки усиления (АРУ).The circuit of the proposed generator can be simplified by connecting an additional amplifier 9 with a small input resistance R _ВX (which will act as a resistive element R in the circuit in Fig. 1) in series with the inductor L in series with the inductor L, for example, with an input stage made on a bipolar transistor included in the scheme with a common base. To reduce the change in the amplitude of oscillations at another output 11 during frequency tuning (this follows from the frequency of the current amplitude in the inductor I _L = U / ωL), an additional amplifier 9 should be performed with an automatic gain control (AGC) circuit.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства: Справочник. - М.: Радио и связь, 1984. - С.230-232.1. Goroshkov B.I. Radio-electronic devices: Reference. - M .: Radio and communications, 1984. - S.230-232.

2. Справочник по радиоизмерительным приборам. Под ред. В.С.Насонова. - Т.2. Измерение частоты, времени и мощности. Измерительные генераторы. - М.: Сов. радио, 1977. - С.158-165.2. Handbook of radio measuring instruments. Ed. V.S. Nasonova. - T.2. Measurement of frequency, time and power. Measuring generators. - M .: Owls. Radio, 1977 .-- S.158-165.

3. Ryder A.D.Multiphase low distortion oscillator. Wireless World, lanuary, 1981. P.59-60.3. Ryder A.D. Multiphase low distortion oscillator. Wireless World, Lanuary, 1981. P. 59-60.

4. Pleass W. Phase - Shifting Oscillator. - Wireless World, June 1983. - P.33.4. Pleass W. Phase - Shifting Oscillator. - Wireless World, June 1983. - P.33.

5. А.с. 1171958 (МКИ⁴), Н03В 27/00 СССР. Двухфазный генератор гармонических колебаний. - Институт химии твердого тела и переработки минерального сырья СО АН СССР / В.И.Кенцин и С.П.Новицкий. - Опубл. 16.12.83, БИ №29.5. A.S. 1171958 (MKI ⁴ ), Н03В 27/00 of the USSR. Two-phase harmonic oscillator. - Institute of Solid State Chemistry and Mineral Processing of Mineral Resources SB RAS USSR / V.I. Kentsin and S.P. Novitsky. - Publ. 12.16.83, BI No. 29.

6. Рыбин Ю.К., Будейкин В.П., Маслов В.А., Фахретдинов П.Р. Генератор синусоидальных сигналов с малыми нелинейными искажениями. - Приборы и техника эксперимента. - 1988. - №6. - С.202.6. Rybin Yu.K., Budeykin VP, Maslov VA, Fakhretdinov P.R. Sine wave generator with small non-linear distortion. - Instruments and experimental technique. - 1988. - No. 6. - S.202.

7. Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - Л.: Энергия, 1972. - С.54.7. Zernov N.V., Karpov V.G. Theory of radio circuits. - Ed. 2nd, rev. and add. - L .: Energy, 1972. - P.54.

8. Горошков Б. И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1988. - С.104.8. Goroshkov B. I. Elements of electronic devices: a Handbook. - M .: Radio and communications, 1988. - P.104.

9. Афонский А.А.. Дъяконов В.П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. Серия «Библиотека инженера». Под ред. проф. В.П.Дьяконова. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2007. - С.78.9. Athos A. A. .. Dyakonov V.P. Measuring instruments and mass electronic measurements. Series "Engineer Library". Ed. prof. V.P. Dyakonova. - M.: SOLON-PRESS, 2007 .-- P.78.

10. Петин Г. Высокостабильный двухточечный генератор. Радиолюбитель. - 1997. - №7. - С.34.10. Petin G. Highly stable two-point generator. Radio amateur. - 1997. - No. 7. - S. 34.

Claims

1. Two-phase LC generator of quadrature harmonic oscillations, containing a parallel oscillatory LC circuit, the frequency of which is tuned by changing the capacitance C, one terminal of which is connected to a common bus, and the other terminal of which is connected to the input of a two-stage non-inverting active amplifying broadband element, the first stage which must have a large input impedance, and the second cascade must have a large output impedance, and its output is connected to another output of the oscillating LC circuit and with the input of the first stage, characterized in that a resistive element with a low resistance, or its equivalent, is connected in series with the inductor of the oscillatory circuit between its output and the common bus, to which an input of an additional broadband amplifier is connected, from the output of which harmonic oscillations are obtained, quadrature, that is, phase shifted by π / 2 relative to the main oscillations on the oscillatory circuit and at the output of the first cascade of the active element of the generator.

2. The two-phase LC-generator of quadrature harmonic oscillations according to claim 1, characterized in that the input of an additional amplifier with a small input resistance, for example, with an input stage made on a bipolar transistor connected according to a common base circuit, is connected in series with the inductor of the oscillatory circuit , and this additional amplifier should be implemented with an automatic gain control circuit.