CZ2010719A3 - Posouvac fáze - Google Patents

Abstract

Posouvac fáze je tvorený diferencním zapojením fázovacího RC clánku ve spojení s operacním zesilovacem, prípadne s dvojicí zesilovacu se stejným ziskem, z nichž jeden je invertující a druhý neinvertující. Promenný reálný odpor fázovacího RC clánku je tvoren fotorezistorem (R1), který je výstupem optronu (OC), jehož vstup je tvoren zdrojem optického zárení pripojeným svým vstupem na ovládací proudový zdroj.

Description

Posouvač fáze

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká elektronicky ovládaného posouvače fáze, použitelného například pro korektory fáze.

Dosavadní stav techniky

Posouvačů fáze, někdy v odborných textech také nazývaných termínem allpass, existuje velký počet typů. Nejběžnější užívají diferenčního zapojení RC článku ve spojení s operačním zesilovačem, s prvním a druhým zpětnovazebním rezistorem R2 a R3 obr. 1, případně s dvojicí zesilovačů se stejným ziskem, jedním invertujícím a druhým neinvertujícím, obr. 2. Pro vyšší kmitočty, typicky cca nad 10 MHz, se často užívá článkových nebo spojitých vedení, to je obvodů s rozloženými parametry. Všechna tato dosavadní řešení mají společnou nevýhodu v tom, že jejich fázové charakteristiky se jen nesnadno dají ovládat elektricky z vnějšku, zejména má-li se jednat o spojitou regulaci ve velkém rozsahu. V obou výše zmíněných případech je fázový posuv výstupního napětí U22 proti vstupnímu napětí uii určen hodnotami součástek vazebního členu R-C podle vztahu:

φ = -2 arctg (f/f₀), (1) kde f je kmitočet spektrální složky zpracovávaného signálu, pro kterou se fázový posuv počítá, fo = 1/(2kRC) je charakteristický kmitočet fázovacího článku.

Obvody podle obr. 1 a obr. 2 vytvářejí fázový posuv φ , při kterém výstupní napětí U22 předbíhá vstupní napětí uii. V případě, zeje požadován fázový posuv φ s opačným znaménkem, tedy fázové zpoždění, v obvodech podle obr. 1, resp. podle obr. 2 se vzájemné vymění polohy R a C, jinak zůstávají obvody beze změny.

i « ·; ι

Změn tvaru, neboli polohy kritického kmitočtu fázové charakteristiky, se v obvodech podle obr. 1, resp. podle obr.'2 v praktické aplikaci dosahuje změnami hodnot buď R nebo C, případně obou zároveň. Vzhledem k tomu, že s ohledem na omezení vlivu šumu a jiných rušivých signálů mají zpracovávané signály zpravidla nezanedbatelnou amplitudu, není možné jako proměnných hodnot R, C užívat změn diferenciálních parametrů nelineárních součástek, například polovodičových, protože to by vedlo k nepřijatelnému nelineárnímu zkreslení zpracovávaného signálu. Užívá se proto diskrétních součástek buď spojitě proměnných mechanicky, a to proměnných kapacitorú nebo rezistorů, nebo měněných po krocích, tedy přepínaných. Tyto postupy jsou však nepoužitelné v případě, kdy se požaduje přímé spojité řízení změn fázového posuvu elektrickým signálem.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje posouvač fáze podle předkládaného řešení, který je tvořen diferenčním zapojením fázovacího RC článku ve spojení s operačním zesilovačem, případně s dvojicí zesilovačů se stejným ziskem, z nichž jeden je invertující a druhý neinvertující. Podstatou nového řešení je, že proměnný reálný odpor fázovacího RC článku je tvořen fotorezistorem, který je výstupem optronu, jehož vstup je tvořen zdrojem optického záření připojeným svým vstupem na ovládací proudový zdroj.

V jednom možném provedení je zdroj optického záření s výhodou tvořen elektroluminiscenční diodou.

Doposud známé metody spojité změny kritického kmitočtu posouvačů fáze nedovolují jeho přímé řízení vnějším elektrickým signálem; spoléhají na mechanicky proměnné rezistory nebo kapacitory. Pouze pro signály s velmi malou amplitudou, typicky nanejvýš v jednotkách milivoltů, lze užít změn diferenciálních parametrů nelineárních součástek změnami polohy jejich stejnosměrného pracovního bodu, ale i zde pouze za cenu nelineárního zkreslení, tedy vzniku harmonických složek, které původní signál neobsahoval. Předkládané řešení dovoluje pomocí vnějšího elektrického řídicího signálu dosáhnout spojité změny kritického kmitočtu posouvače « ♦

- 3 fáze v rozsahu několika dekád, a to i pro signál s amplitudou v jednotkách voltů i větší, bez nelineárního zkreslení, tedy bez vzniku nežádoucích nových spektrálních složek.

Z hlediska funkce obvodu je typ použitého zdroje optického záření bez významu. Elektroluminiscenční dioda však představuje asi nejpraktičtější řešení, protože na rozdíl od jiných zdrojů optického záření je u ní vyzařovaná intenzita lineárně úměrná budicímu proudu, má malé rozměry, malou setrvačnost a dobrou konverzní účinnost Nicméně i s jiným typem zdroje optického záření bude celý obvod také pracovat dobře, až na méně praktický tvar konečné převodní funkce mezi řídicím signálem a fázovým posunutím, respektive hodnotou kritického kmitočtu článku RC.

Zásadní u předkládaného řešení je, že jednak hodnota odporu R ve fázovacím článku se dá měnit vnějším ovládacím elektrickým signálem v rozsahu několika dekád, a dále skutečnost, že fotorezistor je na rozdíl od jiných elektronických součástek s řiditelnou hodnotou při všech nastavených hodnotách odporu výborně lineární i pro velké amplitudy signálu.

OL

Na obr.l a 2 jsou uvedena nejběžněji užívaná diferenční zapojení RC článku pro posouvače fáze. Obr. 3 znázorňuje schéma zapojení posouvače fáze podle předkládaného řešení s použitím operačního zesilovače a obr.^t je příkladem nového posouvače fáze s dvojicí zesilovačů se stejným zesílením, například operačních zesilovačů. Na obr.5 je pak uvedeno jedno z možných zapojení posouvače fáze s diskrétními součástkami.

Příklady provedení-vynálezu:

Spojitého řízení posouvače fáze elektronickým signálem lze podle přihlašovaného řešení dosáhnout tak, že jako proměnného reálného odporu fázovacího RC článku se užije fotorezistoru R1, jehož odporová hodnota se spojitě mění změnou intenzity ozáření z vhodného zdroje optického záření, například elektroluminiscenční diody LED. Tohoto principu lze užít ve všech typech posouvačů fáze, založených na činnosti článku RC se soustředěnými parametry.

Jedna varianta řešení elektronicky spojitě řízeného fázového posouvače podle bodu 2. je ukázána v obr. 3. Tento obvod vychází z klasického obvodu podle obr. 1.

Jedná se o obvod s elektronicky řízenou fázovou kmitočtovou charakteristikou a konstantní amplitudovou kmitočtovou charakteristikou, užívající operačního zesilovače OA, jehož výstupní napětí u^ je výstupním napětím celého obvodu. Obvod je dále tvořen prvním zpětnovazebním rezistorem R3 připojeným mezi výstup a invertující vstup operačního zesilovače OA a druhým zpětnovazebním rezistorem R2 připojeným mezi invertující vstup operačního zesilovače OA a živou svorku vstupního napětí Uii. Na tutéž svorku vstupního napětí u^ je připojen i jeden konec fotorezistoru R1, který je součástí optoizolátoru OC. Druhý konec fotorezistoru R1 je připojen k neinvertující svorce operačního zesilovače OA, k níž je připojen i jeden konec kapacitoru C. Druhý konec kapacitoru C je připojen ke společnému vodiči, k němuž jsou připojeny i zemní svorky vstupního napětí uii a výstupního napětí ugg. Vstup optoizolátoru OC tvoří elektroluminiscenční dioda LED, jejíž budicí proud jcontroi má své vlastní samostatné svorky, které nemají žádné galvanické spojení se zbytkem obvodu, a mohou tedy ležet na obecně libovolném potenciálu, v mezích napěťové izolační odolnosti optoizolátoru.

V popsaném uspořádání fáze výstupního napětí u^ předbíhá fázi napětí u_u v souladu s rovnicí (1); pokud je třeba, aby se fáze u^ zpožďovala za fází uri, tedy opět podle rovnice (1), ale s opačným znaménkem fázového úhlu, postačí v obvodu vzájemně vyměnit polohy fotorezistoru R1 a kapacitoru C.

Pro správnou činnost je zapotřebí, za předpokladu ideálních vlastností operačního zesilovače OA, aby pro hodnoty druhého zpětnovazebního rezistoru R3 a prvního zpětnovazebního rezistoru R2 zpětnovazební sítě operačního zesilovače OA platil vztah

R2 = R3.

(2) • *

Potom fázový vztah mezi vstupním napětím a výstupním napětím U22 dodržuje rovnici (1), a amplitudy jedmnotlivých hramonických složek signálu se nemění. Fotorezistor R1 je zde výstupní součástkou optronu OC, a jeho odporová hodnota je určena okamžitou hodnotou ozáření ze vstupní součástky optronu, zde reprezentované svítivkou, tedy elektroluminiscenčni diodou LED. Intenzita výstupního záření svítivky je určena jejím budicím proudem Icontroi. který tak je vlastní řídicí elektrickou veličinou, ovládající fázovou charakteristiku obvodu.

Zcela obdobně pracují dále popsané varianty řešení podle obr. 4 a obr. 5.

Obvod podle obr. 4 je ideový, obdobně jako obvod v obr. 2. Jedná se opět o obvod s elektronicky řízenou fázovou kmitočtovou charakteristikou a konstantní amplitudovou kmitočtovou charakteristikou, užívající dvou zesilovačů AMP1, AMP2, které mají stejnou absolutní hodnotu zesílení, ale navzájem opačné znaménko napěťového zesílení, se zanedbatelně malou diferenciální výstupní impedancí a zanedbatelně malou diferenciální vstupní admitancí. Vstupy obou zesilovačů, tedy prvního zesilovače AMP1 a druhého zesilovače AMP2, jsou připojeny k živé vstupní svorce vstupního napětí u^. Jejich výstupy u^, u^x jsou připojeny k fázovacím článku tvořenému fotorezistorem R1 a kapacitorem C. Výstup u^ prvního zesilovače AMP1 je připojen k jednomu vývodu kapacítoru C, výstup druhého zesilovače AMP2 je připojen k jednomu vývodu fotorezistoru R1. Druhý vývod kapacítoru C a druhý vývod rezistoru R jsou vzájemně spojeny a připojeny k živé svorce výstupního napětí U22. Fotorezistor R1 je součástí optoizolátoru OC a představuje jeho výstup. Vstup optoizolátoru OC tvoří elektroluminiscenčni dioda LED, jejíž budicí proud Icontroi má své vlastní samostatné svorky, které nemají žádné galvanické spojení se zbytkem obvodu, a mohou tedy ležet na obecně libovolném potenciálu v mezích napěťové izolační odolnosti optoizolátoru. V popsaném uspořádání fáze výstupního napětí U2? předbíhá fázi napětí Un v souladu s rovnicí (1); pokud je třeba, aby se fáze U22 zpožďovala za fází U11, opět podle rovnice (1), ale s opačným znaménkem, postačí v obvodu vzájemné vyměnit polohy fotorezistoru R1 a kapacítoru C.

Výstupní napětí Uxx prvního zesilovače AMP1 je tedy stejně veliké, jako výstupní napětí druhého zesilovače AMP2, ale má opačnou polaritu. Jednotlivé ’ * ί < ff « · ' < ' · ·>···« , , ,

- 6 - ' ' ' · < ¹.«’ spektrální složky těchto dvou napětí se obvodem tvořeným fotorezistorem R1 a kapacitorem C sečítají vektorově, takže ve výstupním napětí U22 rná každá spektrální složka tutéž amplitudu jakou měla v napětí na výstupu prvního zesilovače AMP1, ale její fáze je proti vstupnímu napětí u_n posunuta v souladu s rovnicí (1). Elektronické řízení fázové charakteristiky obvodu zde opět vykonává í_controL· budicí proud elektroluminiscenční diody LED optronu OC. stejně jako v obvodě podle obr?3.

Λ

Obvod podle obr. 5 je funkčně totožný s obvodem podle obr. 4, je pouze příkladem jednoho možného konkrétního obvodového řešení obou zesilovačů AMP1, AMP2.

Obvod s elektronicky řízenou fázovou kmitočtovou charakteristikou a konstantní amplitudovou kmitočtovou charakteristikou zde užívá dvou tranzistorů. Jako invertující a neinvertující zesilovače zde slouží první bipolární tranzistor Q1 a druhý bipolární tranzistor Q2 v uspořádání emitorově vázaného diferenčního stupně s komplementárními výstupy. Báze prvního tranzistoru Q1 je připojena k živé svorce vstupního napětí ují, kolektor prvního tranzistoru Q1 k jednomu vývodu prvního rezistoru R4 a současně k jednomu vývodu kapacitoru C a emitor prvního tranzistoru Q1 ie připojen k jednomu vývodu třetího rezistoru R6 a současně k emitoru druhého tranzistoru 02. Báze druhého tranzistoru Q2 je připojena ke společnému vodiči a jeho kolektor je připojen k jednomu vývodu druhého rezistoru R5 a současně k jednomu vývodu fotorezistoru R1. Druhý vývod třetího rezistoru R6 je připojen k zápornému pólu napájecího zdroje Uee. kladný pól zdroje Uee je připojen ke společnému vodiči. Druhý vývody prvního rezistoru R4 a druhý vývod druhého rezistoru R5, jsou vzájemně spojeny a současně připojeny ke kladnému pólu napájecího zdroje U££, jehož záporný pól je spojen se společným vodičem. Druhý vývod kapacitoru C a druhý vývod fotorezistoru R1 jsou vzájemně spojeny a současně připojeny k živé svorce výstupního napětí U22. Zemní svorky vstupního napětí Uij a výstupního napětí U22 jsou spojeny se společným vodičem. Fotorezistor R1 je součástí optoizolátoru OC a představuje jeho výstup. Vstup optoizolátoru OC tvoří elektroluminiscenční dioda LED, jejíž budicí proud Icontroi má své vlastní samostatné svorky, které nemají žádné galvanické spojení se zbytkem obvodu a mohou tedy ležet na obecně libovolném potenciálu, a to v mezích napěťové izolační odolnosti optoizolátoru. V popsaném uspořádání fáze výstupního napětí u?? předbíhá < · v

I <

‘ t «. · < ta··»» < a « fázi napětí v souladu s rovnicí (1). Pokud je třeba, aby se fáze u^ zpožďovala za fází Utl> opět podle rovnice (1), ale s opačným znaménkem fázového úhlu, postačí v obvodu vzájemně vyměnit polohy fotorezistoru R1 a kapacitoru C. Bipolární tranzistory, tedy první tranzistor Q1 a druhý tranzistor Q2, jsou v uvedeném příkladě typu NPN. Beze změny funkce obvodu mohou být nahrazeny dvojicemi bipolárních tranzistorů NPN v Darlingtonově zapojení, právě tak beze změny obvodu mohou být nahrazeny i unípolárními tranzistory s kanálem typu N, nebo operačními zesilovači, z nichž jeden je v invertujícím zapojení, druhý v neinvertujícím, a jejichž napěťová zesílení jsou nastavena na stejnou absolutní hodnotu. Právě tak lze užít jednoduchých tranzistorů PNP, případně tranzistorů PNP v Darlingtonově zapojení, i unipolárních tranzistorů s kanálem typu P, pokud se obrátí polarita napájecích zdrojů θ UeE. Dále lze nahradit ve všech zmíněných případech beze změny zbytku obvodu třetí rezistor R6 libovolným elektronickým ekvivalentem proudového zdroje, což zlepšuje přesnost souměrnosti obvodu. Obvod je také možné napájet jen jediným stejnosměrným zdrojem napětí, pokud se vhodnými obvodovými prostředky zajistí správná poloha klidového pracovního bodu aktivních zesilovacích prvků, vdaném příkladě tedy prvního tranzistoru Q1 a druhého tranzistoru Q2 nebo jiných výše jmenovaných zesilovacích prvků.

Jedinými požadavky, které musejí být vždy splněny, jsou stejná absolutní číselná hodnota zesílení invertujícího a neinvertujícího zesilovače, diferenciální výstupní odpor obou zesilovacích stupňů malý ve srovnání s nejmenší očekávanou hodnotou fotorezistoru R1 ve fázovacím RC článku, a horní mezní kmitočet zesilovačů podstatně vyšší, než je kmitočet nejvyšší spektrální složky zpracovávaného signálu. Ve většině běžných aplikací se tyto požadavky dají splnit snadno.

Průmyslová využitelnost:

Posouvač fáze podle předloženého řešení nalezne užití v soustavách samočinného řízení, pro stabilizaci smyček záporné zpětné vazby, optimalizaci přechodové odezvy zpětnovazebních soustav, a dále v konstrukci soustav opravujících chyby amplitudové kmitočtové charakteristiky s neminimální fází, vyvolané elektronickými i neelektronickými součástkami nebo jevy, a pro řízení charakteristik s kupinového zpoždění v obvodech pro analogové zpracování signálu.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Posouvač fáze tvořený diferenčním zapojením fázovacího RC článku ve spojení s operačním zesilovačem, případně s dvojicí zesilovačů se stejným ziskem, z nichž jeden je invertující a druhý neinvertující, vyznačující se tím, že proměnný reálný odpor fázovacího RC článku je tvořen fotorezistorem (R1) který je výstupem optronu (OC), jehož vstup je tvořen zdrojem optického záření připojeným svým vstupem na ovládací proudový zdroj.
2. 2. Posouvač fáze podle nároku 1, vyznačující se tím, že zdroj optického zářeni je tvořen elektroluminiscenční diodou (LED).