RU2808222C1 - Arbitrary waveform generator - Google Patents

Arbitrary waveform generator Download PDF

Info

Publication number
RU2808222C1
RU2808222C1 RU2023105714A RU2023105714A RU2808222C1 RU 2808222 C1 RU2808222 C1 RU 2808222C1 RU 2023105714 A RU2023105714 A RU 2023105714A RU 2023105714 A RU2023105714 A RU 2023105714A RU 2808222 C1 RU2808222 C1 RU 2808222C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
oscillation
voltage
input
phase
Prior art date
Application number
RU2023105714A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Иванович Холопов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2808222C1 publication Critical patent/RU2808222C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: arbitrary waveform generator (AWG) refers to a technique for synthesizing oscillations and can be used in measurement technology. The technical result is the simplification of the AWG by reducing the complexity of the implementation of its blocks, allowing for separate independent adjustment of the frequency, amplitude and phase of the harmonic oscillation. This result is achieved by replacing phase-locked loop (PLL) systems in the signal generator with PLL rings, each of which contains a logical phase discriminator (LPD), a bipolar nonlinear control voltage generator, an integrator and a proportional link, a voltage adder, an adjustable generator whose output frequency has a multiple of the reference oscillation frequency equal to the number of the PLL ring, a voltage amplifier with an adjustment element that allows you to change the transmission coefficient of the voltage amplifier, a voltage comparator that converts a bipolar oscillation into a unipolar pulse oscillation with digital logic levels, while the output of the comparator is connected to the input of the delay line with an adjustment element that allows you to adjust the value of the phase shift of the pulse voltage at the output of the delay line relative to the pulse voltage at its input, and the output of the delay line is connected to the second input of the logical phase discriminator.
EFFECT: simplification of the AWG by reducing the complexity of the implementation of its blocks, allowing for separate independent adjustment of the frequency, amplitude and phase of the harmonic oscillation.
1 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к технике синтеза колебаний и может быть использовано в измерительной технике в качестве формирователя измерительных сигналов, а также в качестве генератора специализированных сигналов при создании и настройке электронных устройств автоматики, радиотехники и связи.The invention relates to the technique of synthesis of oscillations and can be used in measuring technology as a shaper of measuring signals, as well as a generator of specialized signals when creating and configuring electronic devices for automation, radio engineering and communications.

Известны генераторы сигналов произвольной формы [1, 2], формирующие выходное колебание путем «сшивания» линейно изменяющихся отрезков напряжения различной крутизны нарастания. Недостатком таких генераторов является то, что создаваемое ими полезное колебание представляется не гладкой, а ломаной линией.Generators of arbitrary waveforms are known [1, 2], which generate an output oscillation by “stitching” linearly varying voltage segments of different slopes. The disadvantage of such generators is that the useful oscillation they create appears not as a smooth line, but as a broken line.

Существуют генераторы сигналов произвольной формы на основе дискретного представления формируемого колебания с последующей фильтрацией [3]. Изначально сигнал задается совокупностью выборок, представленных в виде цифрового кода, записанного в электронное запоминающее устройство. Считываемые кодовые выборки подвергаются цифро-аналоговому преобразованию (ЦАП) с целью получения выходного колебания ступенчатого вида, близкого по форме аналоговому. Для уменьшения шумов квантования, обусловленных ступенчатым изменением сигнала на выходе ЦАП, на выходе генератора устанавливается фильтр нижних частот (ФНЧ). Недостатком такого метода формирования является то, что уровень шума, присутствующий в выходном колебании, существенно зависит от разрядности исходного кодового представления сигнала, разрядности ЦАП и согласованности полосы пропускания ФНЧ со спектром формируемого колебания. При произвольной вариации частоты и формы синтезируемого колебания достаточно сложно обеспечить необходимую подстройку параметров ФНЧ так, чтобы его полоса пропускания была согласована со спектром формируемого колебания. Следствием этого является формирование выходного колебания с существенным уровнем дополнительного шума, обусловленного дискретным представлением исходного сигнала.There are generators of arbitrary waveforms based on a discrete representation of the generated oscillation with subsequent filtering [3]. Initially, the signal is specified by a set of samples, presented in the form of a digital code recorded in an electronic storage device. The read code samples are subjected to digital-to-analog conversion (DAC) in order to obtain a step-type output oscillation, similar in shape to the analogue one. To reduce quantization noise caused by a step change in the signal at the DAC output, a low-pass filter (LPF) is installed at the generator output. The disadvantage of this generation method is that the noise level present in the output oscillation significantly depends on the bit depth of the original code representation of the signal, the bit depth of the DAC and the consistency of the low-pass filter bandwidth with the spectrum of the generated oscillation. With an arbitrary variation in the frequency and shape of the synthesized oscillation, it is quite difficult to ensure the necessary adjustment of the low-pass filter parameters so that its passband is consistent with the spectrum of the generated oscillation. The consequence of this is the formation of an output oscillation with a significant level of additional noise due to the discrete representation of the original signal.

Рассмотренные методы формирования колебаний произвольной формы требуют предварительной заготовки его исходных составляющих в виде кусочно-линейного или кодового представления. В случае, когда форма колебания не известна, что часто бывает при решении задач исследовательского типа, синтез такого колебания существенно усложняется.The considered methods for generating oscillations of arbitrary shape require preliminary preparation of its initial components in the form of a piecewise linear or code representation. In the case when the shape of the oscillation is not known, which often happens when solving research-type problems, the synthesis of such oscillations becomes significantly more complicated.

Известен способ [4] решения задачи синтеза колебаний произвольной формы, базирующийся на их представлении исходя из разложения функции в гармонический ряд Фурье. То есть колебание произвольной формы синтезируется на основе его гармонических составляющих, представляющих собой аналоговые сигналы. В этом случае выходной сигнал, формируемый на основе совокупности аналоговых сигналов, не имеет шумов, свойственных рассмотренным ранее методам.There is a known method [4] for solving the problem of synthesizing oscillations of arbitrary shape, based on their representation based on the expansion of a function into a harmonic Fourier series. That is, an arbitrary waveform is synthesized based on its harmonic components, which are analog signals. In this case, the output signal, generated on the basis of a set of analog signals, does not have noise characteristic of the previously discussed methods.

Способ [4, стр. 40] технически воплощается в виде синтезатора сложного сигнала (фиг. 1), состоящего и опорного генератора (ОГ), совокупности генераторов-калибраторов (модифицированных синтезаторов) с регулировками частоты, амплитуды и фазы (ГКЧАФ), и аналогового сумматора (∑). Генераторы-калибраторы реализованы на основе систем фазовой синхронизации (СФС). Формирование выходного колебания осуществляется путем установки частоты, амплитуды и фазы колебаний в каждом из генераторов-калибраторов.The method [4, p. 40] is technically implemented in the form of a complex signal synthesizer (Fig. 1), consisting of a reference oscillator (RO), a set of calibrator generators (modified synthesizers) with frequency, amplitude and phase adjustments (GKChAF), and an analog adder (∑). Generator-calibrators are implemented on the basis of phase synchronization systems (PSS). The formation of the output oscillation is carried out by setting the frequency, amplitude and phase of oscillations in each of the calibrator generators.

В рассматриваемом методе выполнение настройки параметров ГКЧАФ может быть произведено без предварительного знания конкретного вида выходного колебания. Форму выходного колебания можно настраивать путем изменения параметров каждого ГКЧАФ, наблюдая итоговое колебание с помощью осциллографа. Такой подход значительно упрощает и повышает оперативность создания колебания требуемой формы.In the method under consideration, setting the parameters of the GKChAF can be done without prior knowledge of the specific type of output oscillation. The shape of the output oscillation can be adjusted by changing the parameters of each GKChAF, observing the final oscillation using an oscilloscope. This approach greatly simplifies and increases the efficiency of creating vibrations of the required shape.

Синтезатор сложного сигнала, использующий формирование выходного колебания на основе его гармонических составляющих, выбран в качестве прототипа.A complex signal synthesizer using the formation of an output oscillation based on its harmonic components is selected as a prototype.

Недостатком прототипа является то, что в [4] представлена лишь структурная схема синтезатора сложного сигнала без раскрытия сущности реализации каждого из его блоков. Имеющейся информации не достаточно для того чтобы практически создать указанный синтезатор сложного сигнала. Если реализация генератора опорного колебания и многовходового сумматора напряжений большой сложности не вызывают, то реализация генератора-калибратора с независимыми регулировками частоты, амплитуды и фазы представляет проблему.The disadvantage of the prototype is that in [4] only a block diagram of a complex signal synthesizer is presented without disclosing the essence of the implementation of each of its blocks. The available information is not enough to practically create the specified complex signal synthesizer. If the implementation of a reference oscillation generator and a multi-input voltage adder does not cause much complexity, then the implementation of a generator-calibrator with independent adjustments of frequency, amplitude and phase is a problem.

Задача генерации гармонического колебания с независимыми регулировками частоты и фазы решается путем использования прямых цифровых синтезаторов (Direct Digital Synthesis, DDS) частоты [5]. В их работе используется принцип аналогичный рассмотренному в [3]. Основу синтезатора составляет постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в которое записываются в виде цифрового кода амплитудные значения синусоидального сигнала для различных значений фазы на периоде колебания. Шаг изменения фазы может составлять доли градуса. При последовательном изменении кода адреса ПЗУ на его выход передаются кодовые составляющие, соответствующие последовательному изменению фазы синусоидального сигнала. Данные коды поступают на вход цифро-аналогового преобразователя. В результате на выходе ЦАП формируется гармоническое колебание.The problem of generating a harmonic oscillation with independent frequency and phase adjustments is solved by using direct digital synthesizers (Direct Digital Synthesis, DDS) frequency [5]. Their work uses a principle similar to that discussed in [3]. The basis of the synthesizer is a read-only memory device (ROM), into which the amplitude values of a sinusoidal signal for various phase values during the oscillation period are recorded in the form of a digital code. The phase change step can be fractions of a degree. When the ROM address code is sequentially changed, code components corresponding to the sequential change in the phase of the sinusoidal signal are transmitted to its output. These codes are input to the digital-to-analog converter. As a result, a harmonic oscillation is formed at the output of the DAC.

Если из ПЗУ считываются все составляющие синусоидального колебания и разрядность кода выборок мгновенных значений колебания достаточно большая (от 10 до 12 разрядов), на выходе ЦАП формируется колебание по форме мало отличающееся от аналогового представления соответствующего колебания. Однако в этом случае требуется запоминать в ПЗУ большой объем кодов, последовательный выбор которых не позволяет формировать выходное колебание высокой частоты. Так, если адресная шина ПЗУ составляет 12 разрядов, то при опорной частоте 50 МГц можно будет сформировать выходное гармоническое колебание с частотой не выше 50000000/212=50000000/4096≈10207 Гц. В этом случае из ПЗУ считываются выборки с шагом изменения фазы выходного колебания, равным 36074096=0,88°. При этом форма выходного колебания будет близкой к ее аналоговому представлению.If all components of a sinusoidal oscillation are read from the ROM and the bit depth of the code for samples of instantaneous oscillation values is large enough (from 10 to 12 bits), an oscillation is formed at the output of the DAC in a shape that is not much different from the analog representation of the corresponding oscillation. However, in this case, it is necessary to store a large amount of codes in the ROM, the sequential selection of which does not allow the formation of a high-frequency output oscillation. So, if the ROM address bus is 12 bits, then with a reference frequency of 50 MHz it will be possible to generate an output harmonic oscillation with a frequency no higher than 50000000/2 12 =50000000/4096≈10207 Hz. In this case, samples are read from the ROM with a step of changing the phase of the output oscillation equal to 36074096 = 0.88°. In this case, the shape of the output oscillation will be close to its analog representation.

Для получения частоты в пять раз большей, чем 10,2 кГц, необходимо из ПЗУ считывать не все кодовые выборки подряд, а лишь каждую пятую. В этом случае из ПЗУ считываются выборки с шагом изменения фазы 0,88°5=4,4°. При этом форма колебания на выходе ЦАП будет таковой, что для обеспечения спектральной чистоты формируемого колебания требуется использовать ФНЧ, устанавливаемый на выходе цифро-аналогового преобразователя.To obtain a frequency five times higher than 10.2 kHz, it is necessary to read not all code samples in a row from the ROM, but only every fifth one. In this case, samples are read from the ROM with a phase change step of 0.88° 5=4.4°. In this case, the shape of the oscillation at the output of the DAC will be such that to ensure the spectral purity of the generated oscillation, it is necessary to use a low-pass filter installed at the output of the digital-to-analog converter.

При формировании гармонических колебаний, когда их частота может настраиваться произвольной, например, используется вариация частоты опорного генератора, будет требоваться соответствующая перестройка ФНЧ, которую для изменяющейся частоты колебания реализовать достаточно сложно.When generating harmonic oscillations, when their frequency can be adjusted arbitrarily, for example, a variation in the frequency of the reference oscillator is used, a corresponding adjustment of the low-pass filter will be required, which is quite difficult to implement for a changing oscillation frequency.

В [6] предложено устройство регулировки амплитуды и фазы переменного напряжения, состоящее из двух систем фазовой автоподстройки частоты, одна из которых позволяет осуществлять независимую регулировку амплитуды, а другая - фазы колебания. Для осуществления дополнительной регулировки частоты колебания следует на входе данного устройство включить еще одну систему ФАПЧ, с помощью которой можно выполнить синхронизацию («привязку») кратного опорному по частоте выходного колебания и опорного колебания. Таким образом, если рассматривать устройство регулировки амплитуды и фазы с дополнительной системой ФАПЧ в качестве аналога блока ГКЧАФ, то можно отметить, что его реализация достаточно сложна, поскольку основана на трех системах фазовой автоподстройки частоты.In [6], a device for adjusting the amplitude and phase of alternating voltage was proposed, consisting of two phase-locked loop systems, one of which allows independent adjustment of the amplitude, and the other - the phase of oscillation. To carry out additional adjustment of the oscillation frequency, another PLL system should be turned on at the input of this device, with the help of which it is possible to synchronize (“bind”) a multiple of the reference frequency of the output oscillation and the reference oscillation. Thus, if we consider the device for adjusting the amplitude and phase with an additional PLL system as an analogue of the GKChAF block, then it can be noted that its implementation is quite complex, since it is based on three phase-locked loop systems.

Цель изобретения - упрощение генератора сигналов произвольной формы (ГСПФ) за счет уменьшения сложности реализации его блоков, позволяющих обеспечивать раздельную независимую регулировку частоты, амплитуды и фазы гармонического колебания.The purpose of the invention is to simplify the arbitrary waveform generator (ARG) by reducing the complexity of the implementation of its blocks, allowing for separate independent adjustment of the frequency, amplitude and phase of the harmonic oscillation.

Указанная цель достигается в блоке регулировки частоты, амплитуды и фазы гармонического колебания заменой нескольких систем ФАПЧ одной.This goal is achieved in the block for adjusting the frequency, amplitude and phase of harmonic oscillation by replacing several PLL systems with one.

Структура заявляемого устройства представлена на фиг. 2. Она содержит генератор опорного колебания 1, N колец (систем) ФАПЧ 21, 22, …, 2N, аналоговый N-входовой сумматор напряжения 3. Выходом устройства является выход сумматора.The structure of the proposed device is shown in Fig. 2. It contains a reference oscillation generator 1, N rings (systems) PLL 2 1 , 2 2 , ..., 2 N , an analog N-input voltage adder 3. The output of the device is the output of the adder.

Все кольца ФАПЧ генератора сигналов произвольной формы имеют одинаковую структуру, реализация которой аналогична представленной в схеме функционального преобразователя с регулировкой амплитуды и фазы выходного колебания [7].All PLL rings of the arbitrary waveform generator have the same structure, the implementation of which is similar to that presented in the circuit of a functional converter with adjustment of the amplitude and phase of the output oscillation [7].

Структура кольца ФАПЧ (условно обозначим его номером i) представлена на фиг. 3. Поскольку кольцо ФАПЧ является составляющим элементом ГСПФ и его структура является дополнением к структуре фиг. 2 заявляемого устройства, нумерацию узлов кольца ФАПЧ выполним продолжающейся, то есть начинающейся с цифры 4. Кольцо ФАПЧ содержит следующие узлы: логический фазовый дискриминатор 4i, формирователь двуполярных нелинейных управляющих напряжений 5i, астатическое звено, состоящее из интегратора 6i, пропорционального звена 7i, и сумматора напряжений 8i, подстраиваемый генератор 9i, усилитель напряжения 10i, компаратор напряжения с нулевым порогом сравнения 11i, линия задержки 12i.The structure of the PLL ring (let's call it number i) is shown in Fig. 3. Since the PLL ring is a constituent element of the GSPF and its structure is complementary to the structure of FIG. 2 of the proposed device, the numbering of the nodes of the PLL ring will continue, that is, starting with the number 4. The PLL ring contains the following nodes: logical phase discriminator 4 i , bipolar nonlinear control voltage generator 5 i , astatic link consisting of an integrator 6 i , proportional link 7 i , and voltage adder 8 i , adjustable generator 9 i , voltage amplifier 10 i , voltage comparator with zero comparison threshold 11 i , delay line 12 i .

Колебание Uоп опорной частоты с уровнями цифровой логики, формируемое на выходе генератора опорного колебания, подается на опорный вход логического фазового дискриминатора (ЛФД) 4i, являющийся входом кольца ФАПЧ. Выходы ЛФД 4i подключены к входам формирователя нелинейных управляющих напряжений 5i. Формирователь нелинейных управляющих напряжений 5i используется для получения аналогового управляющего напряжения кольца ФАПЧ на основе цифровых выходных сигналов ЛФД 4i. Механизм работы формирователя 5i рассмотрен в [8]. Выход формирователя 5i подключен к входам интегратора 6i и пропорционального звена 7i, которые совместно с сумматором напряжений 8i образуют пропорционально-интегрирующий фильтр кольца ФАПЧ. Управляющее напряжение, сформированное на выходе сумматора напряжений 8i, подается на управляющий вход подстраиваемого генератор 9i. Выход подстраиваемого генератора 9i подключен к входу усилителя напряжения 10i. Усилитель напряжения 10i имеет элемент регулировки, позволяющий изменять коэффициент усиления усилителя, и как следствие, масштабировать амплитуду колебания, формируемого генератором 9i. Выход усилителя напряжения 10i, являющийся выходом кольца ФАПЧ с номером i, на котором формируется выходное напряжение Uгi, подключен к входу компаратора напряжения с нулевым пороговым уровнем 11i. Компаратор 11i преобразует двуполярное напряжение Uгi в однополярное напряжение Uпрi с уровнями цифровой логики, которое через линию задержки 12i подается на второй вход ЛФД 4i. Линия задержки 12i имеет элемент регулировки, обеспечивающий управление задержкой (фазовым сдвигом) напряжения относительно напряжения Uпрi.Oscillation U op of the reference frequency with digital logic levels, generated at the output of the reference oscillation generator, is fed to the reference input of the logical phase discriminator (APD) 4 i , which is the input of the PLL ring. The outputs of the APD 4 i are connected to the inputs of the nonlinear control voltage driver 5 i . The nonlinear control voltage driver 5 i is used to obtain the analog control voltage of the PLL ring based on the digital output signals of the APD 4 i . The operating mechanism of the driver 5 i is discussed in [8]. The output of the driver 5 i is connected to the inputs of the integrator 6 i and the proportional link 7 i , which together with the voltage adder 8 i form a proportional-integrating filter of the PLL ring. The control voltage generated at the output of the voltage adder 8 i is supplied to the control input of the adjustable generator 9 i . The output of the adjustable generator 9 i is connected to the input of the voltage amplifier 10 i . The voltage amplifier 10 i has an adjustment element that allows you to change the gain of the amplifier, and as a result, scale the amplitude of the oscillation generated by the generator 9 i . The output of the voltage amplifier 10 i , which is the output of the PLL ring number i, on which the output voltage U gi is generated, is connected to the input of the voltage comparator with a zero threshold level 11 i . The comparator 11 i converts the bipolar voltage Ugi into a unipolar voltage Upri with digital logic levels, which is supplied through the delay line 12i to the second input of the APD 4i . The delay line 12 i has an adjustment element that provides control of the delay (phase shift) of the voltage relative to the voltage U at i .

Регулирование параметров узлов 10i и 12i можно осуществить, изменяя значения параметров пассивных элементов их схем, например сопротивлений резисторов. Возможные примеры реализации узлов 10i и 12i представлены на фиг. 4 и 5 соответственно. На фиг. 4 показана схема на операционных усилителях DA1 и DA2, позволяющая путем изменения величины сопротивления резистора R2, обозначенного стрелкой, задавать коэффициент усиления схемы К≥0. На фиг. 5 приведена схема линии задержки, выполненной в виде RC-цепи с формирователями цифрового сигнала на логических инверторах DD1 и DD2. Изменение сопротивления резистора R, обозначенного стрелкой, позволяет изменять крутизну нарастания выходного сигнала RC-фильтра и, как следствие, регулировать задержку колебания на выходе схемы от колебания на его входе.Regulation of the parameters of nodes 10 i and 12 i can be done by changing the values of the parameters of the passive elements of their circuits, for example, the resistances of resistors. Possible examples of implementation of nodes 10 i and 12 i are presented in Fig. 4 and 5 respectively. In fig. Figure 4 shows a circuit based on operational amplifiers DA1 and DA2, which allows you to set the circuit gain K≥0 by changing the resistance value of resistor R2, indicated by an arrow. In fig. Figure 5 shows a diagram of a delay line made in the form of an RC circuit with digital signal shapers on logical inverters DD1 and DD2. Changing the resistance of resistor R, indicated by an arrow, allows you to change the slope of the RC filter output signal and, as a result, adjust the delay of the oscillation at the output of the circuit from the oscillation at its input.

Работу кольца ФАПЧ при изменении амплитуды подстраиваемого колебания и его фазового сдвига относительно опорного колебания (механизм рассмотрен в [7]) можно пояснить временными диаграммами в режимах синхронизации им колебаний одинаковых (фиг. 6) и разных (фиг. 7) частот.The operation of the PLL ring when changing the amplitude of the adjusted oscillation and its phase shift relative to the reference oscillation (the mechanism is discussed in [7]) can be explained by timing diagrams in the modes of synchronizing oscillations of the same (Fig. 6) and different (Fig. 7) frequencies.

Поскольку кольцо ФАПЧ содержит логический фазовый дискриминатор, позволяющий выполнять оценку разности фаз как одинаковых, так и кратных частот [9], подстраиваемый генератор 9i может быть настроен на генерирование частоты iFоп, кратной частоте Fоп опорного колебания, где i=1, 2, …, N. Форма опорного колебания может отличаться от формы колебания, создаваемого подстраиваемым генератором 9i, поскольку компаратором 11i колебание подстраиваемого генератора преобразуется к форме опорного колебания. Настройка частоты подстраиваемого генератора осуществляется путем определения параметров его частотно-задающих цепей (RC-цепи или LC-контура).Since the PLL ring contains a logical phase discriminator that allows estimating the phase difference of both identical and multiple frequencies [9], the adjustable generator 9 i can be configured to generate frequency iF op , a multiple of the frequency F op of the reference oscillation, where i=1, 2 , ..., N. The shape of the reference oscillation may differ from the shape of the oscillation created by the tuned generator 9 i , since the comparator 11 i converts the oscillation of the tuned generator to the shape of the reference oscillation. The frequency setting of the adjustable generator is carried out by determining the parameters of its frequency-setting circuits (RC circuit or LC circuit).

Механизмы работы кольца ФАПЧ для случая формирования гармонического колебания с частотой, равной частоте опорного колебания (случай, когда номер кольца ФАПЧ i=1), иллюстрируются эпюрами напряжений, показанными на фиг. 6. Кольцом ФАПЧ обеспечивается подстройка колебаний Uоп и Un1 с фазовой ошибкой [10]. Указанная разность фаз колебаний может также отображаться и во временном измерении в виде задержки Δt=0. Колебание Un1 формируется путем задержки колебания Uпр1 на время Δtз1 регулируемой линией задержки, а колебание Unp1 получается из колебания Uг1 путем преобразования его формы из синусоидальной в прямоугольную с уровнями цифровой логики посредством аналогового компаратора. Колебания Uпр1 и Uг1 можно считать синфазными, если пренебречь задержкой распространения сигнала через компаратор, и опережающими колебание Uоп по времени на величину Δtз1 или по фазе на величину где Топ - период опорного колебания, равный периоду подстраиваемого колебания Т1. При этом амплитуда UA1 колебания Uг1 может быть любой, поскольку в дальнейшем это колебание преобразуется в однополярное импульсное колебание, аналогичное по форме колебаниям Uоп и Uп1, подаваемым на входы ЛФД.The mechanisms of operation of the PLL ring for the case of the formation of a harmonic oscillation with a frequency equal to the frequency of the reference oscillation (the case when the PLL ring number i=1) are illustrated by the voltage diagrams shown in Fig. 6. The PLL ring provides adjustment of oscillations U op and U n1 with a phase error [10]. The specified oscillation phase difference can also be displayed in the time dimension in the form of a delay Δt=0. Oscillation U n1 is formed by delaying oscillation U pr1 for a time Δt z1 with an adjustable delay line, and oscillation U np1 is obtained from oscillation U g1 by converting its shape from sinusoidal to rectangular with digital logic levels using an analog comparator. Oscillations U pr1 and U r1 can be considered in-phase, if we neglect the delay in signal propagation through the comparator, and ahead of the oscillation U op in time by the amount Δt z1 or in phase by the amount where T op is the period of the reference oscillation, equal to the period of the adjusted oscillation T 1 . In this case, the amplitude U A1 of the U r1 oscillation can be any, since this oscillation is subsequently converted into a unipolar pulse oscillation, similar in shape to the U op and U p1 oscillations supplied to the APD inputs.

Механизм работы кольца ФАПЧ в процессе подстройки кратных частот (рассмотрен случай кольца ФАПЧ с номером i-2) иллюстрирован эпюрами напряжений, представленными на фиг. 7. Колебания Uоп с частотой и Un2 частотой синхронизируются по передним фронтам колебаний с фазовой ошибкой поскольку Δt=0. Задержка колебания Uп2 относительно колебания Uпр2 на время Δtз2 обеспечивает сдвиг по фазе между указанными колебаниями где Т2 - период подстраиваемого колебания. Соответствующий фазовый сдвиг обеспечивается и между колебаниями Uоп и Uг2.The mechanism of operation of the PLL ring in the process of adjusting multiple frequencies (the case of the PLL ring with number i-2 is considered) is illustrated by the voltage diagrams presented in Fig. 7. Oscillations U op with frequency and U n2 frequency synchronized on the leading edges of oscillations with a phase error since Δt=0. The delay of the oscillation U p2 relative to the oscillation U pr2 for a time Δt z2 provides a phase shift between the indicated oscillations where T 2 is the period of the adjusted oscillation. A corresponding phase shift is also provided between the oscillations U op and U g2 .

Амплитуда подстраиваемого колебания Uг2 может регулироваться с помощью усилителя напряжения кольца. При этом ее значение, за исключением случая Uг2=0, не влияет на работу кольца ФАПЧ, поскольку имеет место преобразование посредством компаратора формы выходного колебания к импульсному виду, необходимому для обеспечения работы ЛФД. При коэффициенте усиления усилителя напряжения, равном нулю, на выходе кольца ФАПЧ устанавливается нулевое напряжение. То есть, в этом случае кольцо ФАПЧ не обеспечивает вклада в формирование выходного колебания ГСПФ.The amplitude of the adjusted oscillation U r2 can be adjusted using a ring voltage amplifier. In this case, its value, with the exception of the case U r2 = 0, does not affect the operation of the PLL ring, since the shape of the output oscillation is converted through the comparator to the pulse form necessary to ensure the operation of the APD. When the gain of the voltage amplifier is zero, the output of the PLL ring is set to zero voltage. That is, in this case, the PLL ring does not contribute to the formation of the output oscillation of the GSPF.

Выходное колебание генератора сигналов произвольной формы представляется выражением где Аi - амплитуда i-той гармонической составляющей колебания, t - время, - фаза i-той гармонической составляющей. В качестве примера синтеза сигнала произвольной формы рассмотрим его реализацию на основе трех гармонических составляющих с частотами Fоп, 2Fоп, 3Fоп с произвольными значениями амплитуд и фаз.The output waveform of an arbitrary waveform generator is represented by where A i is the amplitude of the i-th harmonic component of the oscillation, t is time, - phase of the i-th harmonic component. As an example of the synthesis of an arbitrary waveform, let us consider its implementation based on three harmonic components with frequencies F op , 2F op , 3F op with arbitrary values of amplitudes and phases.

Формула, определяющая связь выходного напряжения Uвых=Uг с напряжениями, на основе которых реализуется его синтез, следующая:The formula that determines the relationship between the output voltage U out = U g and the voltages on the basis of which its synthesis is realized is as follows:

Механизм получения выходного колебания Uг генератора при амплитудах A1=0.5, А2=0.%, А3=0.7, частотах Fоп=1000, 2Fоп=2000, 3Fоп=3000 и фазах ϕ1=π/6, ϕ2=-2π/3, ϕ3=2π/3 составляющих его гармонических колебаний показан на фиг. 8.The mechanism for obtaining the output oscillation U g of the generator at amplitudes A 1 = 0.5, A 2 = 0.%, A 3 = 0.7, frequencies F op = 1000, 2 F op = 2000, 3 F op = 3000 and phases ϕ 1 = π/6, ϕ 2 =-2π/3, ϕ 3 =2π/3 its constituent harmonic oscillations are shown in Fig. 8.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHICAL LIST

1. А.с. №2019908 МПК Н03К 4/00. Генератор сигналов сложной формы. / Кирюхин К.Н., Фроленков М.А. Заявлено 25.04.1991 (№4931515/21); опубл. 15.09.1994.1. A.s. No. 2019908 MPK N03K 4/00. Generator of complex waveforms. / Kiryukhin K.N., Frolenkov M.A. Declared 04/25/1991 (No. 4931515/21); publ. 09/15/1994.

2. Пат. РФ №99120936 МПК Н03К 4/02. Способ формирования сигнала сложной формы. / Капля Э.И. Заявлено 04.10.1999 (№99120936/99); опубл. 10.09.2001.2. Pat. RF No. 99120936 IPC N03K 4/02. A method for generating a signal of complex shape. / Kaplya E.I. Declared 10/04/1999 (No. 99120936/99); publ. 10.09.2001.

3. Дедюхин А.А. Прецизионные генераторы сигналов сложной формы А-КИП ГСС-93/1 и ГСС-93/2.// Компоненты и технологии. 2004. №3. - С. 204-206.3. Dedyukhin A.A. Precision signal generators of complex shapes A-KIP GSS-93/1 and GSS-93/2.// Components and technologies. 2004. No. 3. - pp. 204-206.

4. Жилин Н.С. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике. - Томск: Радио и связь, 1989. - 384 с.4. Zhilin N.S. Principles of phase synchronization in measurement technology. - Tomsk: Radio and Communications, 1989. - 384 p.

5. Ридико Л. DDS: Прямой синтез частоты // Компоненты и технологии. 2001. №8.-С.50-56.5. Ridiko L. DDS: Direct frequency synthesis // Components and technologies. 2001. No. 8.-P.50-56.

6. А.с. СССР №1019361 МКИ G01R 25/04. Устройство для регулировки амплитуды и фазы переменного напряжения в компенсационных измерителях напряжения / Жилин Н.С. Заявлено 16.05.1978 (№2618527/18-25); опубл. 23.05.1983. Бюл. №19.6. A.s. USSR No. 1019361 MKI G01R 25/04. Device for adjusting the amplitude and phase of alternating voltage in compensation voltage meters / Zhilin N.S. Declared 05/16/1978 (No. 2618527/18-25); publ. 05/23/1983. Bull. No. 19.

7. Пат. РФ №2689432 МПК H03L 7/00. Функциональный преобразователь с регулировкой амплитуды и фазы выходного колебания / Холопов СИ. Заявлено 07.05.2018 (№2018116919); опубл. 28.05.2019.7. Pat. RF No. 2689432 IPC H03L 7/00. Functional converter with adjustment of the amplitude and phase of the output oscillation / Kholopov SI. Declared 05/07/2018 (No. 2018116919); publ. 05/28/2019.

8. Холопов С.И. Расширение полосы захвата релейной астатической системы фазовой синхронизации // Вестник РГРТУ. - Рязань, 2013. №3 (выпуск45). - С. 49-53.8. Kholopov S.I. Expanding the capture bandwidth of a relay astatic phase synchronization system // Bulletin of the RGRTU. - Ryazan, 2013. No. 3 (issue 45). - P. 49-53.

9. Холопов С.И. Математическая модель когерентного умножителя частоты // Вестник РГРТА. - Рязань, 1998. Вып.4. - С.26-29.9. Kholopov S.I. Mathematical model of a coherent frequency multiplier // Vestnik RGRTA. - Ryazan, 1998. Issue 4. - P.26-29.

10. Холопов С.И. Исследование способа увеличения полосы захвата релейной системы фазовой синхронизации // Вестник РГРТУ. - Рязань, 2016. №3 (выпуск 57). - С. 9-14.10. Kholopov S.I. Study of a method for increasing the acquisition bandwidth of a phase synchronization relay system // Vestnik RGRTU. - Ryazan, 2016. No. 3 (issue 57). - P. 9-14.

Claims (1)

Генератор сигналов произвольной формы, содержащий генератор опорной частоты и N-входовой сумматор напряжения, выход которого является выходом генератора сигналов произвольной формы, отличающийся тем, что введены N колец (систем) фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), имеющих одинаковую структуру, входы которых соединены с выходом генератора опорной частоты, а выход каждого кольца ФАПЧ раздельно подключен к отдельному входу N-входового сумматора напряжения, каждое кольцо ФАПЧ содержит логический фазовый дискриминатор (ЛФД), первый вход которого подключен к входу кольца ФАПЧ, а выходы ЛФД соединены с входами формирователя двуполярных нелинейных управляющих напряжений, выход которого подключен к входам интегратора и пропорционального звена, выходы которых соединены с входами сумматора напряжений, выход сумматора напряжений подключен к управляющему входу подстраиваемого генератора гармонического колебания, выходная частота которого имеет коэффициент кратности частоте опорного колебания, равный номеру кольца ФАПЧ, выход подстраиваемого генератора соединен с входом усилителя напряжения, имеющего элемент регулировки, позволяющий изменять коэффициент передачи усилителя напряжения, выход усилителя напряжения, являющийся выходом кольца ФАПЧ, подключен к компаратору напряжения с нулевым порогом сравнения, преобразующему двуполярное колебание, существующее на выходе усилителя напряжения, в однополярное импульсное колебание с уровнями цифровой логики, выход компаратора подключен к входу линии задержки с элементом регулировки, позволяющим регулировать значение задержки (фазового сдвига) импульсного напряжения на выходе линии задержки относительно импульсного напряжения на ее входе, выход линии задержки подключен к второму входу логического фазового дискриминатора.An arbitrary waveform generator containing a reference frequency generator and an N-input voltage adder, the output of which is the output of an arbitrary waveform generator, characterized in that N phase-locked loop (PLL) rings (systems) are introduced, having the same structure, the inputs of which are connected to output of the reference frequency generator, and the output of each PLL ring is separately connected to a separate input of the N-input voltage adder, each PLL ring contains a logical phase discriminator (APD), the first input of which is connected to the input of the PLL ring, and the APD outputs are connected to the inputs of the bipolar nonlinear shaper control voltages, the output of which is connected to the inputs of the integrator and the proportional link, the outputs of which are connected to the inputs of the voltage adder, the output of the voltage adder is connected to the control input of the adjustable harmonic oscillation generator, the output frequency of which has a multiple of the reference oscillation frequency equal to the number of the PLL ring, the output of the adjustable The generator is connected to the input of a voltage amplifier, which has an adjustment element that allows you to change the transmission coefficient of the voltage amplifier, the output of the voltage amplifier, which is the output of the PLL ring, is connected to a voltage comparator with a zero comparison threshold, which converts the bipolar oscillation existing at the output of the voltage amplifier into a unipolar pulse oscillation with digital logic levels, the comparator output is connected to the input of the delay line with an adjustment element that allows you to adjust the delay value (phase shift) of the pulse voltage at the output of the delay line relative to the pulse voltage at its input, the output of the delay line is connected to the second input of the logical phase discriminator.
RU2023105714A 2023-03-10 Arbitrary waveform generator RU2808222C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2808222C1 true RU2808222C1 (en) 2023-11-28

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2271602C2 (en) * 2003-07-14 2006-03-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный институт радиоэлектроники" (ГОУ ВПО "Военный институт радиоэлектроники") Arbitrary-shape periodic-signal generator in residual-class system
RU2450418C1 (en) * 2011-07-12 2012-05-10 Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Алмаз-Фазотрон" Broadband frequency synthesiser
CN104753500A (en) * 2013-12-25 2015-07-01 苏州普源精电科技有限公司 Arbitrary waveform generator
RU2565526C1 (en) * 2014-12-19 2015-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Phase-locked loop device
EP3078395B1 (en) * 2011-04-07 2017-12-27 Nuvectra Corporation Arbitrary waveform generator and neural stimulation application
RU2689432C1 (en) * 2018-05-07 2019-05-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Function transducer with control of amplitude and output oscillation phase

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2271602C2 (en) * 2003-07-14 2006-03-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный институт радиоэлектроники" (ГОУ ВПО "Военный институт радиоэлектроники") Arbitrary-shape periodic-signal generator in residual-class system
EP3078395B1 (en) * 2011-04-07 2017-12-27 Nuvectra Corporation Arbitrary waveform generator and neural stimulation application
RU2450418C1 (en) * 2011-07-12 2012-05-10 Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Алмаз-Фазотрон" Broadband frequency synthesiser
CN104753500A (en) * 2013-12-25 2015-07-01 苏州普源精电科技有限公司 Arbitrary waveform generator
RU2565526C1 (en) * 2014-12-19 2015-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Phase-locked loop device
RU2689432C1 (en) * 2018-05-07 2019-05-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Function transducer with control of amplitude and output oscillation phase

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Жилин Н.С. "Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике", Томск: Радио и связь, 1989, стр.39-45. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3406439B2 (en) Variable delay circuit delay time measurement device
CN107528583B (en) Frequency doubling delay locked loop using a sample time to digital converter
US5781054A (en) Digital phase correcting apparatus
US7907023B2 (en) Phase lock loop with a multiphase oscillator
TWI353115B (en) Circuit for applying jitter and test device
US20040090252A1 (en) Apparatus and method for introducing signal delay
KR930022734A (en) Frequency synthesizer
JPWO2018116347A1 (en) PLL circuit
JP3639000B2 (en) Phase matching device and delay control circuit
US7394238B2 (en) High frequency delay circuit and test apparatus
JPH09200012A (en) Phase modulator and phase modulation method
JPH04356804A (en) Method and device for synthesizing digital signal
CN102317803A (en) Testing device, testing method, and phase shifter
RU2808222C1 (en) Arbitrary waveform generator
KR102101797B1 (en) Frequency synthesizer using multiple direct digital synthesizer module
KR100972818B1 (en) Dll-based fractional-n frequency synthesizer
EP2512033B1 (en) A clock generation system
JP5208211B2 (en) Test apparatus and test method
JP6761630B2 (en) Frequency synthesizer
RU158122U1 (en) NEUR-LIKE OSCILLATOR GENERATOR
RU2689432C1 (en) Function transducer with control of amplitude and output oscillation phase
RU2788980C1 (en) Measuring generator of paired pulses
RU2273952C2 (en) Frequency synthesizer
JP2628182B2 (en) Test equipment for analog-digital hybrid IC
CN102780488A (en) Clock generation system