RU212189U1

RU212189U1 - Управляемый умножитель частоты гармонического сигнала

Info

Publication number: RU212189U1
Application number: RU2022109739U
Authority: RU
Inventors: Евгений Борисович Колесников
Original assignee: Евгений Борисович Колесников
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2022-07-11

Abstract

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в радиопередающих и радиоприемных устройствах, измерительной технике и фазометрических системах в качестве регулируемого источника гармонических колебаний повышенной частоты. Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения регулируемого коэффициента умножения, включая дробные его значения. Устройство содержит задающий генератор, управляемый фазовращатель, преобразователь напряжение-частота (ПНЧ), одновибратор, интегратор со сбросом, преобразователь напряжение-частота, перемножитель, источник напряжения смещения и сумматор, причем выход задающего генератора соединен с входом управляемого фазовращателя, управляющий вход которого соединен с выходом сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника напряжения смещения, выход одновибратора соединен с входом сброса интегратора со сбросом, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход перемножителя соединен с входом управления умножителя частоты и входом преобразователя напряжение-частота, выход которого соединен с входом одновибратора, а выход источника напряжения смещения соединен с первым входом перемножителя, выход которого соединен с входом интегратора со сбросом, а выход управляемого фазовращателя соединен с выходом умножителя частоты. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в радиопередающих и радиоприемных устройствах, измерительной технике и фазометрических системах в качестве регулируемого источника гармонических колебаний повышенной частоты.

Известен гармонический удвоитель частоты [Патент на изобретение №2411632 РФ, МПК Н03В 7/12, Н03В 19/00, опубл. 10.02.2011 г.], содержащий задающий генератор, двухтактный каскад, включающий расщепитель фазы с первым и вторым противофазными выходами, нагрузочный резистор, первый и второй активные элементы, выходные электроды которых соединены между собой и подключены к первому выводу нагрузочного резистора, первый конденсатор, первый вывод которого подсоединен к первому выходу расщепителя фазы, а второй его вывод соединен с управляющим электродом первого активного элемента и, через последовательно соединенный первый резистор и первый источник напряжения смещения, к общей точке, второй конденсатор, первый вывод которого подключен ко второму выходу расщепителя фазы, а второй его вывод соединен с управляющим электродом второго активного элемента и через последовательно соединенные второй резистор и второй источник напряжения смещения к общей точке, при этом истоковый электрод первого активного элемента и истоковый электрод второго активного элемента подсоединены к общей точке, источник напряжения питания и третий конденсатор, первый вывод которого подсоединен к потенциальному выводу источника питания, а второй к общей точке, при этом второй вывод нагрузочного резистора подключен к потенциальному выводу источника напряжения питания, фазовращатель с фазовым сдвигом 180°, вход которого подключен к точке соединения выходных электродов первого и второго активных элементов, выходная согласующая цепь с первым и вторым противофазными входами, первый вход которой подключен к точке соединения выходных электродов первого и второго активных элементов, а второй ее вход подсоединен к выходу фазовращателя. При этом выходом устройства является выход выходной согласующей цепи.

Данный удвоитель имеет высокий уровень побочных гармоник. Это приводит к искажению формы выходного напряжения и снижению точности преобразования частоты.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является гармонический удвоитель частоты [Патент РФ №206321 МПК⁸ Н03В 19/00, опубл. 6.09.2021 г.], содержащий задающий генератор, управляемый фазовращатель, компаратор, одновибратор, интегратор со сбросом, преобразователь частота-напряжение, источник напряжения смещения и сумматор, причем фазовращатель выполнен управляемым с фазовым сдвигом 360°, выход задающего генератора соединен с входом управляемого фазовращателя и входом компаратора, выход которого через преобразователь частота-напряжение соединен с входом интегратора со сбросом, вход сброса которого соединен с выходом одновибратора, вход которого соединен с выходом компаратора, выход интегратора со сбросом соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника напряжения смещения, а выход сумматора соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, выход которого соединен с выходом удвоителя частоты.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатком данного удвоителя частоты является то, что он умножает частоту входного сигнала на два, т.е. на фиксированный коэффициент умножения.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения регулируемого коэффициента умножения, включая дробные его значения.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный гармонический удвоитель частоты, содержащий задающий генератор, фазовращатель, одновибратор, интегратор со сбросом, источник напряжения смещения и сумматор, причем выход задающего генератора соединен с входом управляемого фазовращателя, управляющий вход которого соединен с выходом сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника напряжения смещения, выход одновибратора соединен с входом сброса интегратора со сбросом, выход которого соединен с первым входом сумматора, а выход управляемого фазовращателя соединен с выходом умножителя частоты, дополнительно введены преобразователь напряжение-частота и перемножитель, второй вход которого соединен с входом управления умножителя частоты и входом преобразователя напряжение-частота, выход которого соединен с входом одновибратора, а выход источника напряжения смещения соединен с первым входом перемножителя, выход которого соединен с входом интегратора со сбросом.

Существенными отличиями предлагаемого управляемого умножителя частоты гармонического сигнала являются введение преобразователя напряжение-частота, перемножителя и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения регулируемого коэффициента умножения, включая дробные его значения.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема удвоителя частоты, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u_вх, U_y, u₂, u₅, u₆ и u_вых.

Управляемый умножитель частоты гармонического сигнала (фиг. 1) содержит задающий генератор 1, управляемый фазовращатель 2, преобразователь напряжение-частота (ПНЧ) 3, одновибратор 4, интегратор со сбросом 5, перемножитель 6, источник напряжения смещения 7 и сумматор 8.

Управляемый умножитель частоты гармонического сигнала работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение u_вк=U_msinω_вхt с частотой ω_вх=2πƒ_вх с выхода задающего генератора 1 подается на вход управляемого фазовращателя 2. При этом напряжение управления U_v поступает на вход ПНЧ 3 и преобразуется в импульсное напряжение u₁ частотой f_ПНЧ, определяемой выражением:

где K_ПНЧ=f_ПНЧ _max /10 - коэффициент передачи ПНЧ 3.

Коэффициент передачи K_ПНЧ ПНЧ 3 выбирается таким образом, чтобы при входном напряжении 10 В частота его выходных импульсов соответствовала максимальной рабочей частоте f_пmax пилообразного напряжения интегратора со сбросом 5, т.е. K_ПНЧ=f_{ПНЧ max} /10.

По фронту выходных импульсов ПНЧ u₁ запускается одновибратор 4, в результате на его выходе формируются короткие по длительности импульсы u₃ частотой f_ПНЧ, которые поступают на вход сброса интегратора со сбросом 5 (фиг. 2).

Выходное напряжение источник напряжения смещения 7 выбирается отрицательной полярности равным половине амплитуды выходного напряжения интегратора со сбросом U_5m=10 В, т.е. U₄=-5 В.

При этом на входе интегратора со сбросом 5 формируется напряжение u₃, равное результату перемножения в перемножителе 6 напряжений U_y и U₄:

где K_n=0,1 - коэффициент передачи перемножителя 6;

U₄=-5 В - выходное напряжение источник напряжения смещения 7.

На выходе интегратора со сбросом 5 формируется пилообразное напряжение u₅ положительной полярности, амплитуда которого определяется по формуле:

где U₄- величина входного напряжения интегратора со сбросом 5;

ƒ_ПНЧ - частота выходного напряжения ПНЧ 3;

ƒ_{ПНЧ max} - максимальная частота выходного напряжения ПНЧ 3;

U_у - напряжение управления;

R - сопротивление резистора интегратора со сбросом 5;

С - емкость конденсатора интегратора со сбросом 5.

Таким образом, амплитуда выходного напряжения U_5m интегратора со сбросом 5 не зависит от напряжения управления U_y во всем рабочем диапазоне частот умножителя.

Для выбора параметров времязадающих элементов схемы R и С при амплитуде выходного пилообразного напряжения интегратора со сбросом 5, равной U_5m=10 В, необходимо выдержать следующее соотношение:

В результате амплитуда выходного пилообразного напряжения интегратора со сбросом 5 всегда постоянна U_5m=10 В и не зависит от напряжения управления U_y во всем его рабочем диапазоне.

Выходное напряжение u₅ интегратора со сбросом 5 суммируется в сумматоре 8 с постоянным напряжением U₄=-5 В от источника напряжения смещения 7, в результате чего на выходе сумматора 8 формируется переменное нарастающее пилообразное напряжение u₆ амплитудой 5 В. Это напряжение подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 1 (фиг. 2).

В устройстве применен управляемый фазовращатель 1, который позволяет линейно изменять фазу ϕ входного сигнала от -180° до +180° при изменении величины управляющего напряжения от -5 В до +5 В (фиг. 2). Это пилообразное управляющее напряжение u₆, воздействуя на управляемый фазовращатель 1, изменяет фазу ϕ его входного сигнала от -180° до +180° (фиг. 2).

В результате на выходе управляемого фазовращателя 1 и на выходе умножителя частоты, формируется выходное напряжение u_вых:

где

- коэффициент умножения частоты;

- коэффициент соотношения частот.

Из полученного выражения видно, что частота ω_вых выходного напряжения u_вых умножителя частоты зависит от коэффициента умножения K_у, который в свою очередь зависит от напряжения управления U_y. Изменяя напряжение U_y можно плавно изменять значения коэффициента умножения K_у. При этом амплитуда выходного напряжения U_m _вых умножителя частоты остается равной амплитуде входного напряжения U_m _вх.

Зависимость коэффициента умножения K_у от напряжения управления U_yпредставляет собой регулировочную характеристику K_у=f(U_y), которая представляет собой линейную зависимость.

Таким образом, приведенный управляемый умножитель частоты гармонического сигнала позволяет получить регулируемый коэффициент умножения частоты, включая дробные его значения.

При практической реализации предлагаемого управляемого умножителя частоты гармонического сигнала управляемый фазовращатель 1 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №206198 РФ, G01R 19/22. Управляемый фазовращатель, опубл. 30.08.2021 г.). В качестве преобразователя напряжение-частота 3 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1. Одновибратор 4 можно выполнить на микросхеме К561АГ1. Интегратор со сбросом 5 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ) по схеме (В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высш. шк., 2005. - стр. 459, рис. 6.18, в). Перемножитель 6 можно выполнить на микросхеме КР525ПС3. Источник постоянного напряжения 7 представляет собой обычный источник стабильного напряжения. Сумматор 8 представляет собой неинвертирующий сумматор на ОУ.

Claims

Управляемый умножитель частоты гармонического сигнала, содержащий задающий генератор, фазовращатель, одновибратор, интегратор со сбросом, источник напряжения смещения и сумматор, причем выход задающего генератора соединен с входом управляемого фазовращателя, управляющий вход которого соединен с выходом сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника напряжения смещения, выход одновибратора соединен с входом сброса интегратора со сбросом, выход которого соединен с первым входом сумматора, а выход управляемого фазовращателя соединен с выходом умножителя частоты, отличающийся тем, что в него дополнительно введены преобразователь напряжение-частота и перемножитель, второй вход которого соединен с входом управления умножителя частоты и входом преобразователя напряжение-частота, выход которого соединен с входом одновибратора, а выход источника напряжения смещения соединен с первым входом перемножителя, выход которого соединен с входом интегратора со сбросом.