RU31304U1 - Вычислитель шестнадцатипульсационного модуля квадратурных сигналов - Google Patents

Description

Вычислитель шестиадцатипульсациоииого модуля

Полезная модель относится к электрорадиотехнике, в частности, к устройствам для получения модуля квадратурных сигналов и может быть использована в радиолокационных станциях, устройствах автоматики и вычислительной техники.

Известен амплитудный детектор, содержащий фазорасщепитель входного сигнала, первый и второй выходы которого через первый и второй детекторы составляющих входного сигнала подключены соответственно к первому и второму входам выходного сумматора, а также к первому и второму входам детектора разности сигналов, вьрсод которого подключен к третьему входу выходного сумматора SU 1249690,1986, Н 03D 1/00.

В данном устройстве первый и второй детекторы выполняют функции двухполупериодных выпрямителей, т. к. они выполняют операцию выпрямления двухполярных, сдвинутых по фазе на 7i/2 синусоидальных входных напряжений, в однополярные напряжения без сглаживающего фильтра. Такую же функцию выполняет и детектор разности сигналов. 3-х входовая схема выходного сумматора выполняет функции умножителя или делителя по третьему входу и выходного сумматора трех входных сигналов. Умножитель имеет

масщтабирующий коэффициент, равный (л/2-1). В описании изобретения последний понимается как делитель с масштабирующим коэффициеьггом, равным 2,41. Но

2,41 л +1 (у2 -1) , что соответствует масштабирующему коэффициенту (л/2-1) для умножителя. Таким образом, известный амплитудный детектор по а. с. № 1249690 является, по сути, вычислителем восьмипульсационного модуля квадрат)фных сигналов (МКС), который содержит первый, второй и третий двухполупериодные выпрямители, вычитатель, умножитель и 3-х входовый выходной сумматор, который может быть представлен в виде двух, последовательно соединенных 2-х входовых сумматоров, что иногда выгоднее при цифровой обработке сигналов.

Данная схема вычислителя воьмипульсационного МКС, согласно описанию изобретения, позволяет получить погрешность детектирования не хуже 4%. Эта величина получена по формуле вычисления коэффициента модуляции М:

МПК 7 Н 03D 1/0 квадратурных сигиалов

Iuv5lo

где U 1,5307 - нормированный к единице верхний уровень пульсаций,

и 1,4142 - нормированный к единице нижний уровень пульсаций.

Однако, чаще принято оценивать точность вычисления МКС с помощью формулы относительной погрешности т, определяемой известным соотношением:

где т обычно называют коэффициентом пульсаций.

При указанных выше значениях верхнего и нижнего уровней пульсаций коэффициент пульсаций МКС т 7,61% и не может быть ниже, что является недостатком известного амплитудного детектора.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности вычисления модуля квадратурных сигналов и расширение функциональных возможностей устройства. Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, заключается в уменьшении коэффициента пульсаций модуля квадратурных сигналов.

Это достигается тем, что в известное устройство, содержащее первый, второй и третий двухполупериодные выпрямители, первый умножитель, вычитатель, первый и второй сумматоры, согласно полезной модели введены третий сумматор, второй и третий умножители, первая и вторая схемы выбора большего, при этом входы первого и второго двухполупериодных выпрямителей являются входами устройства, а их выходы соединены соответственно с первыми и вторыми входами вычитателя, первого сумматора и первой схемы выбора большего; выход вычитателя соединен через последовательно включенные третий двухполупериодный выпрямитель и первый умножитель с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора; выход первого сумматора соединен через второй умножитель со вторым входом второго сумматора и первым входом второй схемы выбора большего; выход первой схемы выбора большего соединен через третий умножитель со вторым входом второй схемы выбора большего, выход которой соединен со вторым входом третьего сумматора, выход которого является выходом устройства.

Введение в предлагаемое устройство третьего сумматора, второго и третьего умножителей, первой и второй схем выбора большего, обеспечивает (за счет выбора величин коэффициентов умножения) получение двух восьмипульсационных МКС с коэффициентами пульсаций т - 7,61%, из которых в третьем сумматоре вычисляется шестнадцати2

т ,(1)

пульсационный МКС с коэффициентом пульсаций т 2,1%, ч го существенно ниже, чем у прототипа. Это позволяет расширить функциональные возможности устройства.

Полезная модель поясняется чертежами: на фиг. 1 представлена структурная схема вычислителя шестнадцатипульсационного МКС; на фиг. 2-8 изображены диаграммы пульсаций напряжения на выходах элементов структурной схемы.

Вычислитель шестнадцатипульсационного МКС (фиг. 1) содержит первый (1), второй (2) и третий (6) двухполупериодные выпрямители (ДПВ), вычитатель (3), первый сумматор (4), первую схему выбора большего (СВБ 5), первый (7), второй (8) и третий (9) умножители, второй сумматор (10), вторую СВБ (11), третий сумматор (12). Входы первого ДПВ 1 и второго ДПВ 2 являются входами устройства. К выходу первого ДПВ 1 входного напряжения косинусоидальной формы подключены первый вход вычитателя 3, первый вход первого сумматора 4 и первый вход первой СВБ 5. К выходу второго ДПВ 2 входного напряжения, сдвинутого по фазе на 7t/2, подключены вторые входы вычитателя 3, первого сумматора 4 и первый вход первой СВБ 5. К выходу вычитате.11я 3 подключены последовательно соединенные третий ДПВ 6, первый умножитель 7 и второй сумматор 10, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора 12. Выход первого сумматора 4 через второй умножитель 8 подключен ко второму входу второго сумматора 10 и первому входу второй СВБ 11. К выходу первой СВБ 5 подключены последовательно соединенные третий умножитель 9 и вторая СВБ 11, выход которой соединен со вторым входом третьего сумматора 12, выход которого является выходом устройства.

Элементы устройства вычислителя выполнены по известным правилам и работают по своему функциональному назначению см., например, Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. 400 схем для АВМ. - М:, Энергия, 1978. Заявленное устройство (как и прототип) может быть выполнено на элементах как аналоговой, так и цифровой техники, в частности, на интегральных микросхемах (ИМС). В экспериментальной установке выпрямители 1, 2, 6 были реализованы на ИМС типа 1533 АПЗ, 1533 КПП; выч1тгатель 3 и сумматоры 4, 10, 12 - на ИМС типа 1533 ИПЗ; умножители 7, 8, 9 - на ИМС типа 1802 ВРЗ; схемы выбора большего 5,11 - на ИМС типа 1533 СП1,1533 КПП.

Заявленный вычислитель шестнадцатипульсационного вычислителя МКС работает по уравнениям.

C Ci+C2,(2)

где С - выходной сигнал устройства (третьего сумматора 12);

Ci - выходной сигнал второго сумматора 10;

Сз - выходной сигнал второй СВБ 11;

KI, К2, Кз - коэффициенты умножения соответственно первого 7, второго 8 и третьего 9 умножителей;

а Cosa - сигнал с единичной амплитудой на входе первого ДПВ 1;

b Sina - сигнал с единичной амплитудой на входе второго ДПВ 2;

а - фаза колебаний;

|а|, Ibl - выходные сигналы, соответственно, первого и второго ДПВ;

(1а1 - Ibl) - выходной сигнал вьиитателя 3;

|(1а1 - lbl)| - модуль разности двух модулей на выходе третьего ДПВ 6;

(1а1 + Ibl) - выходной сигнал первого сумматора 4;

maxlal,Ibl - выходной сигнал первой СВБ 5.

Двухполярные квадратурные сигналы с единичной амплитудой косинусоидальной формы а Cosa поступают на вход первого ДПВ 1. Сигналы, сдвинутые по фазе на 7t/2 и имеющие синусоидальную форму b Sino, подаются на вход второго ДПВ 2. В результате двухполупериодного выпрямления, на выходах первого 1 и второго 2 ДПВ выделяются однополярные сигналы (модули) с двумя пульсациями за период косинусоиды (синусоиды). Поскольку они имеют нулевой нижний уровень и верхний уровень, равный 1,0, то в соответствии с формулой (1) коэффициент пульсации m 100%.

Сигналы с выхода ДПВ 1 поступают на первые входы вычитателя 3, первого сумматора 4 и первой СВБ 5, а сигналы с выхода ДПВ 2 - соответственно на их вторые входы. В вычитателе 3 модули |а| и |Ь| вычитаются один из другого и на выходе вьщеляется разностный двухполярный сигнал приблизительно пилообразной формы (фиг. 2, на которой, как и на всех других диаграммах, входные сигналы показаны пунктирными линиями). Этот сигнал поступает в третий ДПВ 6, где в результате двухполупериодного выпрямления преобразуется в однополярный четырехпульсационный модуль (фиг. 3) с нулевым нижним уровнем и верхним уровнем, равным 1,0, и соответственно, коэффициентом пульсаций т 100%. Далее, пройдя через первый умножитель 7, этот сигнал поступает на первый вход втгорого сумматора 10.

ЛОШ1&

дуль с нижним уровнем, равным 1,0, и верхним уровнем, равным 1,4142 (фиг. 4). Он имеет коэффициент пульсаций

т 29,3%.

Пройдя через второй умножитель 8, этот сигнал поступает на второй вход второго сумматора 10. Здесь четырехпульсационные модули арифметически складываются и на выходе сумматора выделяется восьмипульсационный МКС (фиг. 5), характеристики которого определяются выбором величин коэффициентов умножения Ki и Кз, соответственно, в первом 7 и во втором 8 умножителях, которые связаны между собой соотношением:

Данное выражение получается из условия равенства обоих нижних уровней «горбушек восьмипульсационного модуля, следующих с периодом 2л/8, т.е. в точках отсчета фазы колебаний о, равных 0° и 45° по формуле (3). При этом имеет место равенство С(0°) С(45°) или

Ki|(lCosO°l - lSinO l)| + Кг (lCosO°l + lSinO°l)

Ki|(lCos45°l - lSin45°l)| + Кг (lCos45°l + lSin45°l).

Решая это равенство, получим /Г, -IJ. Это есть соотношение, при котором

получается минимальный коэффициент пульсаций МКС на выходе второго сумматора 10, при этом для всех пар значений KI и Кг, вычисленных по уравнению (5), т 7,61%. Для пар значений этих коэффициентов, не соответствующих формуле (5), т 7,61%. Для доказательства этого определим значения верхнего и нижнего уровней пульсаций восьмипульсационного МКС, используя формулу (3) при а 0°:

UH С,(0) Ki(CosO° - SinO°) + К,(л + IXCosO + SinO°) Ki( л/2 + 2)

V2K2 Ki+K2.(6)

Фаза колебаний о, соответствующая верхнему уровню пульсаций восьмипульсационного МКС, равна 22,5 °. Это можно доказать, продифференцировав формулу (3) по а и приравняв результат нулю. После преобразований получим:

|Со5а 1-|Аиа„| К, iтЧ- - л/2 -1 0,4142,

I I О Iт/

|Со5а | + |ошад| К

откуда после вычислений следует Ов 22,5°. При этом функция Ci(a) имеет максимум, т.к. вторая производная С по а в области Ов 22,5° должна иметь отрицательное значение. Действительно:

и

1,41

K,K,(j2-l).(5)

С ( а„ - 22,5) K,(-Cos22,5 -ь Sm22,5°) + Ki(V2 + l)(-Cos22, - Sin22,5)

- Ki3,6954 0.

Определим значение верхнего уровня пульсаций восьмипульсационного МКС: и« 01(22,5°) Ki(Cos22,5° - 81022,5) + Ki( +l){Cos22,5° + 81022,5)

KiO,5412 + Ki(V2 +1) 1,3066 3,6854Ki .(6)

Т.е. U 3,6954Ki - 1,5306K2.

Следовательно, т 100% M it:M1 100% 7,61%.(7)

Отсюда следует, что для всех вариантов вычисления восьмипульсационного МКС, рассчитанных с использованием формулы (5), величина коэффициента пульсаций т , будет одной и той же, а именно, 7,61%. Для иллюстрации этого положения в таблице 1 приведены результаты расчетов при различных оптимальных значениях пар К1 и К2, соответствующих формуле (5), включая прототип.

Из таблицы 1 видно, что любой из приведенных вариантов, начиная с первого (когда KI 1), предпочтительнее прототипа, т.к. в нем на выходе первого умножителя используется не полная мощность входного сигнала, а в 2,41 раза меньшая, чем в первом варианте вычисления МКС, что снижает надежность работы прототипа при внутренних помехах. Поэтому целесообразно использовать варианты с KI 1, тогда К2 л/2+1, что обеспечивается введением в устройство второго умножителя. В качестве примеров в таблице 1 приведены варианты вычислений II и Ш, в которых используются четное и нечет ioi&

Таблица 1

HOC значения K| и К2. Четные значения, в том числе Ki 2 и К2 2, предпочтительнее, т.к. в качестве умножителей могут быть использованы простые микросхемы сдвигающих регистров, например, 1533 ИР23, вместо сложных микросхем типа 1802 ВРЗ или 1802 ВР4. Таким образом, введение в прототип дополнительно второго умножителя позволяет получить более помехозащищенный и многовариантный вычислитель восьмипульсационного МКС с одним и тем же т 7,61%. Результаты вычисления первого восьмипульсационного МКС по прототипу и варианту I, представлены на фиг. 5 в виде эпюр напряжений на входах (показаны пунктирными линиями) и выходе второго сумматора 10. Эпюры Ui, Uj, Us для варианта I и эпюры U4, Us, Us для прототипа подобны по форме, но отличаются верхними и нижними уровнями в масштабе (л/2 +1) 2,4142.

В первой схеме выбора большего (СВБ) 5 (фиг. 1) двухпульсационные модули с выходов первого 1 и второго 2 ДПВ сравниваются между собой и на выход пропускается тот из них, величина которого в данный момент времени больше величины другого. При этом на выходе схемы вьще.11яется четырехпульсационный МКС (фиг. 6) с нижним уровнем, равным л/2/2 0,707, верхним уровнем 1,0 и коэффициентом пульсации

Далее, пройдя через третий умножитель 9, этот сигнал поступает на второй вход второй СВБ 11, на первый вход которой подается четырехпульсационный МКС с выхода второго умножителя 8. Во второй СВБ 11 эти сигналы сравниваются и на выход пропускается тот из них, величина которого в данный момент времени больше величины другого, в результате чего на ее выходе выде.ляется восьмипульсационный МКС (фиг. 7) с коэффициентом пульсации т 7,61%. Его нижний и верхний уровни определяются значениями коэффициентов умножения KI второго 8 и Кз третьего 9 умножителей. Эти коэффициенты вычисляются по формуле: , или .(8)

Докажем эту формулу из условия равенства верхних уровней четьфехпульсационных МКС при а 0° и а 45° и подставляя эти значения (которые соответствуют периоду 71/4 второго восьмипульсационного модуля на выходе второй СВБ 11) в формулу (4). Тогда

,,3%

JT. , Кз max(K2 - л/2 , Кз - ).

Если принять К2 1, Кз KT, то Кз К2- л/2 или К2 Кз

Формулы (8) соответствуют множеству оптимальных пар коэффициентов умножения К2 и Кз для получения второго восьмипульсационного МКС, когда коэффициент пульсаций имеет значение m 7,61% при всех оптимальных парах. Для доказательства этого сначала определим формулы для вычисления верхнего Ug и нижнего и„ уровней восьмипульсационного МКС, соответственно, для ав 0° и а« 22,5°.

и, С2(0°) (CosO° + SinO°), К,- max(CosO SinO°)

, Кз Кз л/2 К2.(9)

и„ С2(22,5) (Cos22,5 + Sin22,5°), Кз- max(Cos22,5°, Sin22,5°) (0,9238 + 0,3826), Кз- max(0,9283) ,3066, К2-1,3066 К2-1,3066 Кз-0,9239.(10)

С учетом формул (9, 10) вычислим общую формулу для коэффициента пульсаций второго восьмипульсационного МКС (на выходе второй СВБ 11);

т.е. при любых оптимальных парах К2 и Кз получим т 7,61%. Результаты расчетов второго восьмипульсационного МКС приведены в таблице 2.

01&

J2

А:З-/СЗ-0.9239,

-100% 7,61,

Таблица 2

Псрвь Й восьмипульСационный МКС (фиг. 5, а также эпюра 1 на фиг. 8) с выхода второго сумматора 10 и второй восьмипульсационный МКС (фиг. 7, а также эпюра 2 на фиг. 8) с выхода второй СВБ 11 поступают, соответственно, на первый и второй входы третьего сумматора 12. Здесь восьмипульсационные модули арифметически складываются и на выходе сумматора и, соответственно, устройства в целом вьщеляется шестнадцатипульсационный МКС (эпюра 3 на фиг. 8, где для наглядности ординаты эпюры 3 уменьшены в два раза). Из таблицы 2 видно, что для второго восьмипульсационного МКС по варианту II верхний уровень равен 3,4142, что совпадает с нижним уровнем первого восьмипульсационного МКС по варианту I таблицы 1. Это совпадение не с.11учайно и обьясняется выбором для обоих МКС одного и того же значения коэффициента умножения Kj v2 +1. Это является первым условием для формирования из этих двух восьмипульсационных МКС шестнадцатипульсационного МКС. Вторым важным условием является то, что полярности пульсаций противоположны относительно уровня 3,4142 (на фиг. 8 показаны пунктирными линиями).

Для расчета оптимальных вариантов соотношений между коэффициентами умножения KI, К2 и Кз используются формулы (2, 3, 4) и формула

K,K,(j2-)K,(l2-).(12)

Формула (12) легко получается из формул (5, 8), т.е.

K,(f2+)K, и К,К,.

Нижний и верхний уровни пульсаций шестнадцатипульсационного МКС вычисляется как суммы, соответственно, уровней Ci(0), С2(0°) и Ci(ll,25°), С2(П,25) по формулам (6, 9):

и„ С(0°) Ci(0°) + С2(0°) Ki(V2 + 2) + Кз-л/2 (л/2 + 1)

Ki-2-3,4142-Kr6,8284.

Ue С(11,25°) Ci(l 1,25°) + С2(11,25°) Ki-3,6245 + КгЗ,3486 Ki-6,9731.

(На фиг. 8 для компактности масштаб эпюры выходного напряжения уменьшен в два раза, т.е. нижний и верхний уровни обозначены, соответственно, как 3,41 и 3,49, что не искажает качественную картину процесса).

При оптимальных значениях коэффициентов умножения KI, Кг и Кз первою 7, второго 8 и третьего 9 умножителей, соответствующих формуле (12), коэффициент пульсаций т 2,1%. Результаты расчета шестнадцатипульсационного МКС представлены в таблице 3.

В таблице 3 вариант I приведен как основной вариант вычислителя шестнадцатипульсационного МКС с оптимальной тройкой коэффициентов умножения К, Кз и Кз, где , К2(/2 +1) и (/2 +1). Одинаковым для всех любых оптимальных троек KI, К2 и Кз является главный параметр - коэффициент пульсаций т 2,1%, что существенно лучще, чем у прототипа.

Многовариантность заявленного вычислителя (таблица 3) также яв.11яется важным его достоинством, т.к. расширяет функциональные возможности устройства. Общий коэффициент умножения К2 для обоих оптимальных восьмипульсационных модулей, обеспечивающий оптимальное сопряжение верхних и нижних уровней, позволяет получить многовариантный оптимальный шестнадцатипульсационный МКС.

Таблица 3

Claims (1)

1. Вычислитель шестнадцатипульсационного модуля квадратурных сигналов, содержащий первый, второй и третий двухполупериодные выпрямители, первый умножитель, вычитатель, первый и второй сумматоры, отличающийся тем, что введены третий сумматор, второй и третий умножители, первая и вторая схемы выбора большего, при этом входы первого и второго двухполупериодных выпрямителей являются входами устройства, а их выходы соединены соответственно с первыми и вторыми входами вычитателя, первого сумматора и первой схемы выбора большего, выход вычитателя соединен через последовательно включенные третий двухполупериодный выпрямитель и первый умножитель с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, выход первого сумматора соединен через второй умножитель со вторым входом второго сумматора и первым входом второй схемы выбора большего, выход первой схемы выбора большего соединен через третий умножитель со вторым входом второй схемы выбора большего, выход которой соединен со вторым входом третьего сумматора, выход которого является выходом устройства.