PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 07/10. ZDZISŁAW NAWROCKI, Wrocław, PL DANIEL DUSZA, Inowrocław, PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H03H 11/16 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Przetwornik odtwarzający składową ortogonalną sygnału (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 07/10 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 03/13 (72) Twórca(y) wynalazku: ZDZISŁAW NAWROCKI, Wrocław, PL DANIEL DUSZA, Inowrocław, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Regina Kozłowska PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest przetwornik odtwarzający składową ortogonalną sygnału w zakresie częstotliwości od 20Hz do 20kHz. Najprostszym przetwornikiem przesuwającym sygnał wejściowy o wartość 90 jest układ całkujący. Przesuwniki takie są stosowane w technice pomiarów elektrycznych, w badaniach materiałów przewodzących, nadprzewodzących oraz w telekomunikacji w procesie modulacji i demodulacji sygnałów. Ponadto przesuwniki fazowe sygnałów sinusoidalnych o kąt 90 stosowane są w układach przeznaczonych do pomiarów mocy, składowych immitancji badań wzorców przekładni i innych. Właściwością większości przesuwników fazowych jest zależność przesunięcia fazowego oraz amplitudy sygnału od jego częstotliwości. W niektórych układach pomiarowych niezbędne są przesuwniki fazowe, w których zarówno przesunięcie fazowe jak i amplituda są niezależne od częstotliwości. Rozwiązania przesuwników fazowych niezależnych od częstotliwości wymagają na ogół uśrednienia sygnału za okres, co przy infraniskich częstotliwościach może znacznie utrudniać a nawet uniemożliwiać ich zastosowanie. Znane ze stosowania analogowe przetworniki odtwarzające składowe ortogonalne sygnału ze względu na zasadę działania można podzielić na przetworniki z przesuwnikiem aktywnym w układzie nieminimalnofazowym i z układem mnożącym, przetworniki z układem całkującym lub różniczkującym i ze wzmacniaczem z automatyczną regulacją wzmocnienia, przetworniki z układami funkcyjnymi realizującymi przetwarzanie zgodnie z jedynkowym wzorem trygonometrycznym oraz przetworniki z układami specjalizowanymi generującymi funkcje trygonometryczne. Z publikacji Barker R.W.J., Phase-shifting technique without reactive components, Int. J. Electronics, 1978, Vol. 44, No. 6, , znane jest urządzenie przesuwające wejściowy sygnał sinusoidalny o kąt 90, składające się ze wzmacniaczy operacyjnych, układów mnożących oraz przerzutnika JK. Przesuwnik fazy sygnału prostokątnego znany z polskiego opisu patentowego nr przeznaczony jest do regulowania opóźnienia fazy sygnału w zakresie 0-180, w sposób ciągły z zachowaniem współczynnika wypełnienia impulsów w całym zakresie regulacji. Wejście przesuwnika połączone jest z pierwszym wejściem bramki logicznej drugiej i z jednym wejściem bramki logicznej trzeciej, której wyjście połączone jest z pierwszym wejściem bramki logicznej czwartej. Wyjście niezanegowane przerzutnika monostabilnego trzeciego połączone jest z drugim wejściem bramki logicznej czwartej, której wyjście połączone jest z pierwszym wejściem bramki logicznej piątej. Wyjście zanegowane przerzutnika monostabilnego trzeciego połączone jest z drugim wejściem bramki logicznej drugiej, której wyjście połączone jest poprzez filtr dolnoprzepustowy z drugim wejściem bramki logicznej piątej. Wyjście bramki logicznej piątej jest wyjściem przesuwnika. Układ przesuwnika fazy sygnałów sinusoidalnych znany z polskiego opisu patentowego nr złożony jest z szeregowo połączonych stopni, z których każdy zawiera ogniwo przesuwające fazę, wzmacniacz różnicowy oraz parę kluczy prądowych. Wyjście ogniwa przesuwającego fazę każdego stopnia jest połączone z wejściem ogniwa przesuwającego fazę kolejnego stopnia. Każdy stopień zbudowany jest tak, że wyjście ogniwa przesuwającego fazę jest połączone z bazą tranzystora tworzącego z drugim tranzystorem bipolarny wzmacniacz różnicowy, a każdy z kolektorów tranzystorów wzmacniacza różnicowego połączony jest z emiterami par tranzystorów tworzących klucze prądowe. Kolektor jednego tranzystora każdego klucza prądowego połączony jest ze źródłem napięcia zasilania wspólnym dla wszystkich stopni, a kolektor drugiego tranzystora każdego klucza prądowego połączony jest przez wspólny dla wszystkich stopni rezystor również ze źródłem napięcia zasilania. Istota przetwornika według wynalazku polega na tym, że wejście przetwornika jest połączone z przesuwnikiem fazowym i przetwornikiem amplitudy sygnału wejściowego, przy czym wyjście przesuwnika fazowego jest połączone z pierwszym wejściem układu mnożąco-dzielącego i jednocześnie poprzez przetwornik amplitudy sygnału kosinusoidalnego z trzecim wejściem układu mnożąco- -dzielącego, którego wyjście poprzez przetwornik amplitudy sygnału wyjściowego, pierwszy układ sumujący, wzmacniacz błędu i drugi układ sumujący z drugim wejściem układu mnożąco-dzielącego. Wyjście przetwornika amplitudy sygnału wejściowego połączone jest z wejściami pierwszego i drugiego układu sumującego. Korzystnie przesuwnik fazowy przetwornika, ma wejście połączone przez rezystor układu całkującego z wejściem odwracającym wzmacniacza całkującego i poprzez kondensator układu różniczkującego z wejściem odwracającym wzmacniacza różniczkującego, ponadto wejście odwracające wzmacniacza całkującego połączone jest poprzez równolegle połączony rezystor dodatkowy o dużej

3 PL B1 3 wartości rezystancji i kondensator układu całkującego z jego wyjściem połączonym poprzez rezystor wzmacniacza różnicowego z wejściem odwracającym wzmacniacza różnicowego. Wejście odwracające wzmacniacza różniczkującego połączone jest poprzez rezystor układu różniczkującego z jego wyjściem połączonym poprzez rezystor wzmacniacza różnicowego z wejściem nieodwracającym wzmacniacza różnicowego, natomiast wejście odwracające wzmacniacza różnicowego jest połączone poprzez rezystor wzmacniacza różnicowego z jego wyjściem, które jest wyjściem układu. Zaletą przetwornika odtwarzającego składową ortogonalną sygnału jest zastosowanie w nim układów, które zapewniają przesunięcie fazowe równe 90 oraz stałą wartość wzmocnienia w szerokim zakresie częstotliwości, w którym wartość amplitudy sygnału wyjściowego jest równa amplitudzie sygnału wejściowego i nie zależy od częstotliwości sygnału przetwarzanego. Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy przetwornika odtwarzającego składową ortogonalną sygnału, a fig. 2 - schemat ideowy przesuwnika fazowego. Przetwornik odtwarzający składową ortogonalną ma wejście połączone z przesuwnikiem fazowym PF i przetwornikiem amplitudy sygnału wejściowego PA. Wyjście przesuwnika fazowego PF jest połączone z pierwszym wejściem X układu mnożąco-dzielącego MD i jednocześnie poprzez przetwornik amplitudy sygnału kosinusoidalnego PA F z trzecim wejściem U układu mnożąco-dzielącego MD. Wyjście układu mnożąco-dzielącego MD poprzez przetwornik amplitudy sygnału wyjściowego PB, pierwszy układ sumujący S 1, wzmacniacz błędu W k o wzmocnieniu k i drugi układ sumujący S 2, z drugim wejściem Y układu mnożąco-dzielącego MD. Wyjście przetwornika amplitudy sygnału wejściowego PA połączone jest z wejściami pierwszego i drugiego układu sumującego S 1, S 2. Na wejście przetwornika odtwarzającego składową ortogonalną doprowadza się sinusoidalny sygnał wejściowy przetwornika A sin ωt o amplitudzie A, którego fazę przesuwa się w układzie przesuwnika fazowego PF o 90. Napięciowy sygnał wyjściowy przesuwnika A F cos ωt, z wyjścia przesuwnika fazowego PF doprowadza się do wejścia przetwornika amplitudy sygnału kosinusoidalnego oraz do pierwszego wejścia X układu mnożąco-dzielącego MD. Sygnał z przetwornika amplitudy sygnału kosinusoidalnego PA F o amplitudzie A F, doprowadza się do trzeciego wejścia U układu mnożąco- -dzielącego MD. Ponadto, sinusoidalny sygnał wejściowy przetwornika A sin ωt o amplitudzie A przetworzony w przetworniku amplitudy sygnału wejściowego PA, doprowadza się na wejścia dodatnie układów sumujących S 1 i S 2. Sygnał wyjściowy przetwornika doprowadza się do przetwornika amplitudy sygnału wyjściowego PB, z którego sygnał o amplitudzie B doprowadza się na wejście ujemne układu sumującego S 1. W pierwszym układzie sumującym S 1 wyznacza się różnicę sygnałów wejściowego A i wyjściowego B przetwornika, którą z wyjścia układu sumującego S 1 doprowadza się do wejścia wzmacniacza błędu W k o wzmocnieniu k. We wzmacniacz błędu W k wzmacnia się sygnał wejściowy zgodnie z relacją (A-B)k, a wzmocniony sygnał doprowadza się na wejście dodatnie drugiego układu sumującego S 2, na wyjściu którego otrzymuje się sygnał (A-B)k+A i kieruje go na drugie wejście Y układu mnożąco-dzielącego MD. Sygnał wyjściowy przetwornika B cos ωt, po przetworzeniu w układzie przesuwnika fazowego PF oraz układzie mnożąco-dzielącym MD, opisuje funkcja przejścia w postaci równania: A Bcosω t = F cosωt A [( A B) k + A], gdzie A F jest amplitudą sygnału kosinusoidalnego, B - amplitudą sygnału wyjściowego, A F cos ωt - sygnał wyjściowy przesuwnika, a k - wzmocnieniem wzmacniacza błędu. Z równania tego, w wyniku prostych przekształceń, otrzymuje się wartość amplitudy sygnału wyjściowego B, która jest równa amplitudzie sygnału wejściowego A, a jej wartość nie zależy od częstotliwości sygnału przetwarzanego. Przetwornik ma przesuwnik fazowy PF, którego wejście połączone jest przez rezystor układu całkującego R C z wejściem odwracającym wzmacniacza całkującego W 1 i poprzez kondensator układu różniczkującego C R z wejściem odwracającym wzmacniacza różniczkującego W 2, ponadto wejście odwracające wzmacniacza całkującego W 1 połączone jest poprzez równolegle połączony rezystor dodatkowy R d o dużej wartości rezystancji i kondensator układu całkującego C C z jego wyjściem połączonym poprzez rezystor wzmacniacza różnicowego R z wejściem odwracającym wzmacniacza różnicowego W 3. Wejście odwracające wzmacniacza różniczkującego W 2 połączone jest poprzez rezystor układu różniczkującego R R z jego wyjściem połączonym poprzez rezystor wzmacniacza różnicowego R, z wejściem nieodwracającym wzmacniacza różnicowego W 3. Wejście odwracające wzmacniacza różnicowego W 3 jest połączone poprzez rezystor wzmacniacza różnicowego R z jego wyjściem, które jest F

4 4 PL B1 wyjściem układu. Wejścia nieodwracające wzmacniaczy całkującego W 1 i różniczkującego W 2 połączone są z masą układu poprzez rezystory R k, a wejście nieodwracające wzmacniacza różnicowego W 3 poprzez rezystor wzmacniacza różnicowego R. Zastrzeżenia patentowe 1. Przetwornik odtwarzający składową ortogonalną sygnału zawierający przesuwnik fazowy, znamienny tym, że wejście przetwornika jest połączone z przesuwnikiem fazowym (PF) i przetwornikiem amplitudy sygnału wejściowego (PA), przy czym wyjście przesuwnika fazowego (PF) jest połączone z pierwszym wejściem (X) układu mnożąco-dzielącego (MD) i jednocześnie poprzez przetwornik amplitudy sygnału kosinusoidalnego (PA F ) z trzecim wejściem (U) układu mnożąco-dzielącego (MD), którego wyjście poprzez przetwornik amplitudy sygnału wyjściowego (PB), pierwszy układ sumujący (S 1 ), wzmacniacz błędu (W k ) i drugi układ sumujący (S 2 ) z drugim wejściem (Y) układu mnożąco-dzielącego (MD), natomiast wyjście przetwornika amplitudy sygnału wejściowego (PA) połączone jest z wejściami pierwszego i drugiego układu sumującego (S 1, S 2 ). 2. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że wejście przesuwnika fazowego (PF) połączone jest przez rezystor układu całkującego (R C ) z wejściem odwracającym wzmacniacza całkującego (W 1 ) i poprzez kondensator układu różniczkującego (C R ) z wejściem odwracającym wzmacniacza różniczkującego (W 2 ), ponadto wejście odwracające wzmacniacza całkującego (W 1 ) połączone jest poprzez równolegle połączony rezystor dodatkowy (R d ) o dużej wartości rezystancji i kondensator układu całkującego (C C ) z jego wyjściem połączonym poprzez rezystor wzmacniacza różnicowego (R) z wejściem odwracającym wzmacniacza różnicowego (W 3 ), a wejście odwracające wzmacniacza różniczkującego (W 2 ) połączone jest poprzez rezystor układu różniczkującego (R R ) z jego wyjściem połączonym poprzez rezystor wzmacniacza różnicowego (R) z wejściem nieodwracającym wzmacniacza różnicowego (W 3 ), natomiast wejście odwracające wzmacniacza różnicowego (W 3 ) jest połączone poprzez rezystor wzmacniacza różnicowego (R) z jego wyjściem, które jest wyjściem układu. Wykaz oznaczeń na rysunku: PF - przesuwnik fazowy, PA - przetwornik amplitudy sygnału wejściowego, PA F - przetwornik amplitudy sygnału kosinusoidalnego, PB - przetwornik amplitudy sygnału wyjściowego, MD - układ mnożąco-dzielący, S 1, S 2 - układ sumujący, R C - rezystor układu całkującego, C C - kondensator układu całkującego, R R - rezystor układu różniczkującego, C R - kondensator układu różniczkującego, R - rezystor wzmacniacza różnicowego, R d - rezystor dodatkowy, W 1 - wzmacniacz całkujący, W 2 - wzmacniacz różniczkujący, W 3 - wzmacniacz różnicowy, W k - wzmacniacz błędu, X - pierwsze wejście, Y - drugie wejście, U - trzecie wejście, A F - amplituda sygnału kosinusoidalnego, B - amplituda sygnału wyjściowego, A sin ωt - sygnał wejściowy przetwornika, A F cos ωt - sygnał wyjściowy przesuwnika, B cos ωt - sygnał wyjściowy przetwornika, k - wzmocnienie wzmacniacza.

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)