RU212993U1

RU212993U1 - Управляемый гармонический умножитель частоты

Info

Publication number: RU212993U1
Application number: RU2022114772U
Authority: RU
Inventors: Евгений Борисович Колесников
Original assignee: Евгений Борисович Колесников
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2022-08-17

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. Управляемый гармонический умножитель частоты содержит задающий генератор, управляемый фазовращатель, преобразователь напряжение-частота, счетный триггер, сумматор, источник напряжения смещения, усилитель-ограничитель, перемножитель, интегратор и управляемый усилитель. Управляющий вход управляемого усилителя соединен с выходом счетного триггера и первым входом сумматора, выход которого через усилитель-ограничитель соединен с первым входом перемножителя. Вход управления умножителя частоты через преобразователь напряжение-частота соединен с входом счетного триггера и вторым входом перемножителя, выход которого через интегратор соединен с входом управляемого усилителя. Выход управляемого усилителя соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя. 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, управляемый фазовращатель, интегратор, источник напряжения смещения и сумматор, причем выход задающего генератора соединен с входом управляемого фазовращателя, выход которого соединен с выходом умножителя частоты, второй вход сумматора соединен с выходом источника напряжения смещения, дополнительно введены преобразователь напряжение-частота, счетный триггер, усилитель-ограничитель, перемножитель и управляемый усилитель, управляющий вход которого соединен с выходом счетного триггера и первым входом сумматора, выход которого через усилитель-ограничитель соединен с первым входом перемножителя, а вход управления умножителя частоты через преобразователь напряжение-частота соединен с входом счетного триггера и вторым входом перемножителя, выход которого через интегратор соединен с входом управляемого усилителя, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя.

Существенными отличиями предлагаемого управляемого гармонического умножителя частоты являются введение преобразователя напряжение-частота, счетного триггера, усилителя-ограничителя, перемножителя, управляемого усилителя 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 управляемого гармонического умножителя частоты, на фиг.2 - временные диаграммы напряжений u_вх, U_y, u₁, u₂, u₅, u₇, u₈ и u_вых.

Управляемый гармонический умножитель частоты (фиг. 1) содержит задающий генератор 1, управляемый фазовращатель 2, преобразователь напряжение-частота (ПНЧ) 3, счетный триггер 4, сумматор 5, источник напряжения смещения 6, усилитель-ограничитель 7, перемножитель 8, интегратор 9 и управляемый усилитель 10.

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

f_ПНЧ=K_ПНЧU_y,

где K_ПНЧ- 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 его рабочей частоте

Выходные импульсы ПНЧ 3 подаются на вход счетного триггера 4, который делит срабатывает по их фронту и делит частоту его входного напряжения u₁ на два, и на его выходе формируется напряжение u₃ прямоугольной формы с частотой f_ПНЧ/2 (фиг. 2).

В сумматоре 5 напряжение u₂ суммируется с отрицательным напряжением из от источника напряжения смещения 6, величина которого выбирается около половины амплитуды u₂. В результате на выходе сумматора 5 формируется переменное напряжение u₄ прямоугольной формы с частотой f_ПНЧ/2 и амплитудой близкой к 2,5 В, которое поступает на вход усилителя-ограничителя 7. Усилитель-ограничитель 7 формирует на своем выходе переменное напряжение u₅ прямоугольной формы с фиксированным значением амплитуды, равным ±10 В. Это напряжение поступает на первый вход перемножителя 8, на второй вход которого поступает напряжение управления U_y.

При этом на входе интегратора 9 формируется напряжение u₃, равное результату перемножения в перемножителе 8 напряжений U_y и U₄:

U_6m=K_пU_yU_5m=0,1⋅U_y⋅10=U_y,

где K_п=0,1 - коэффициент передачи перемножителя 8;

U_5m=10 В - амплитуда выходного напряжение усилителя-ограничителя 7.

Интегратор 9 преобразует его входное напряжение u₆ прямоугольной формы в переменное напряжение треугольной формы, амплитуда которого определяется выражением:

где Т=1/f - период выходного напряжения ПНЧ 3.

U_6m - амплитуда выходного напряжения интегратора 9;

f_ПНЧ - частота выходного напряжения ПНЧ 3;

- максимальная частота выходного напряжения ПНЧ 3;

U_y - напряжение управления;

R- сопротивление резистора интегратора 9;

С - емкость конденсатора интегратора 9.

Таким образом, амплитуда выходного напряжения U_5m интегратора 9 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 напряжения интегратора 9, равной U_7m=10 В, необходимо выдержать следующее соотношение:

Выходное напряжение u₇ интегратора 9 треугольной формы с частотой f_ПНЧ/2 подается на вход управляемого усилителя 10, на управляющий вход которого подается напряжение u₂ прямоугольной формы с выхода счетного триггера 4. Это напряжение приводит к переключению полярности выходного напряжения u₈ управляемого усилителя 10. Причем положительное напряжение u₂ приводит к изменению полярности выходного напряжения u₇ интегратора 9 на противоположную, а нулевое напряжение - не изменяет полярность напряжения u₇. Коэффициент передачи управляемого усилителя 10 выбран равным единице, поэтому в первый полупериод выходного напряжения u₂ счетного триггера 4 он работает как инвертор, а во второй - как повторитель (фиг. 2).

В результате на выходе управляемого усилителя 10 формируется переменное нарастающее пилообразное напряжение f_ПНЧ и частотой f_ПНЧ и амплитудой U_8m=10 В, которая не зависит от напряжения управления U_y во всем его рабочем диапазоне. Это напряжение u₈ подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 2 (фиг. 2).

В устройстве применен управляемый фазовращатель 2, который позволяет линейно изменять фазу ϕ входного сигнала от -180° до+180° при изменении величины управляющего напряжения от -10 В до+10 В (фиг. 2). Это пилообразное управляющее напряжение u₈, воздействуя на управляемый фазовращатель 2, изменяет фазу ϕ его входного сигнала от -180° до +180° (фиг. 2).

В результате на выходе управляемого фазовращателя 2 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_y, который в свою очередь зависит от напряжения управления U_y. Изменяя напряжение U_y можно плавно изменять значения коэффициента умножения K_y. При этом амплитуда выходного напряжения

умножителя частоты остается равной амплитуде входного напряжения

Зависимость коэффициента умножения K_y от напряжения управления U_y является регулировочной характеристикой K_y=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 управляемый фазовращатель 2 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. В качестве счетного триггера 4 можно использовать микросхему К561ТВ1. Сумматор 5 представляет собой неинвертирующий сумматор на ОУ. Источник напряжения смещения 6 представляет собой обычный источник стабильного напряжения. Усилитель-ограничитель 7 может быть выполнен по схеме (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 267, рис. 11.10). Перемножитель 8 можно выполнить на микросхеме КР525ПС3. Интегратор 9 можно выполнить по известной схеме на ОУ с времязадающей RC-цепью. Управляемый усилитель 10 можно выполнить по схеме управляемого усилителя (Патент на ПМ №168550 РФ, МПК G01R 25/00, опубл. 8.02.2017 г.).

Claims

Управляемый гармонический умножитель частоты, содержащий задающий генератор, управляемый фазовращатель, интегратор, источник напряжения смещения и сумматор, причем выход задающего генератора соединен с входом управляемого фазовращателя, выход которого соединен с выходом умножителя частоты, второй вход сумматора соединен с выходом источника напряжения смещения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены преобразователь напряжение-частота, счетный триггер, усилитель-ограничитель, перемножитель и управляемый усилитель, управляющий вход которого соединен с выходом счетного триггера и первым входом сумматора, выход которого через усилитель-ограничитель соединен с первым входом перемножителя, а вход управления умножителя частоты через преобразователь напряжение-частота соединен с входом счетного триггера и вторым входом перемножителя, выход которого через интегратор соединен с входом управляемого усилителя, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя.