RU215482U1

RU215482U1 - FREQUENCY TRIPLE

Info

Publication number: RU215482U1
Application number: RU2022126546U
Authority: RU
Inventors: Евгений Борисович Колесников
Original assignee: Евгений Борисович Колесников
Filing date: 2022-10-10
Publication date: 2022-12-14

Abstract

Полезная модель относится к радиотехнике и связи и может быть использована в качестве умножителя частоты. Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия утроителя частоты. Утроитель частоты содержит управляемый фазовращатель, квадратурный фазовращатель, амплитудный детектор, блок деления, компаратор, управляемый усилитель, арксинусный преобразователь, блок масштабирования, причем вход компаратора соединен с входом утроителя и входом управляемого фазовращателя, выход которого соединен с выходом утроителя, амплитудный детектор, блок деления, управляемый усилитель, арксинусный преобразователь и блок масштабирования, причем вход утроителя через квадратурный фазовращатель соединен с первым входом блока деления и входом амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с входом управляемого усилителя, выход которого через арксинусный преобразователь соединен с входом блока масштабирования, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, а выход компаратора соединен с управляющим входом управляемого усилителя. 2 ил.

The utility model relates to radio engineering and communications and can be used as a frequency multiplier. The technical result of the claimed utility model is to increase the speed of the frequency tripler. The frequency tripler contains a controlled phase shifter, a quadrature phase shifter, an amplitude detector, a division unit, a comparator, a controlled amplifier, an arcsine converter, a scaling unit, and the input of the comparator is connected to the input of the tripler and the input of the controlled phase shifter, the output of which is connected to the output of the tripler, an amplitude detector, a division unit , a controlled amplifier, an arcsine converter and a scaling unit, wherein the input of the tripler is connected through a quadrature phase shifter to the first input of the division block and the input of the amplitude detector, the output of which is connected to the second input of the division unit, the output of which is connected to the input of the controlled amplifier, the output of which is connected through the arcsine converter with the input of the scaling unit, the output of which is connected to the control input of the controlled phase shifter, and the output of the comparator is connected to the control input of the controlled amplifier. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к радиотехнике и связи и может быть использована в качестве умножителя частоты.The utility model relates to radio engineering and communications and can be used as a frequency multiplier.

Известен утроитель частоты [Патент №2628255 РФ, МПК Н03В 19/14, опубл. 15.08.2017 г.], содержащий делитель, сумматор, компаратор, одновибратор, устройство выборки-хранения, блок возведения в степень и дифференцирующий блок, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, при этом входная шина утроителя частоты соединена со вторым входом сумматора, первым входом блока возведения в степень, входом дифференцирующего блока и первым входом устройства выборки-хранения, выход которого соединен со вторым входом блока возведения в степень, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами делителя, к выходу которого подключен первый вход сумматора, выход которого соединен с выходной шиной утроителя частоты. Блок возведения в степень содержит первый квадратор, перемножитель и второй квадратор, включенный между вторым входом и вторым выходом блока возведения в степень, первый вход которого соединен с входом первого квадратора и вторым входом перемножителя, выход которого соединен с первым выходом блока возведения в степень, при этом первый вход перемножителя подключен к выходу первого квадратора.Known frequency tripler [Patent No. 2628255 RF, IPC H03V 19/14, publ. 08/15/2017], containing a divider, an adder, a comparator, a one-shot, a sample-and-hold device, an exponentiation block and a differentiating block, the output of which is connected to the inverting input of the comparator, the non-inverting input of which is connected to a common bus, while the tripler input bus frequency is connected to the second input of the adder, the first input of the exponentiation block, the input of the differentiating block and the first input of the sample-and-hold device, the output of which is connected to the second input of the exponentiation block, the first and second outputs of which are connected, respectively, to the first and second inputs divider, to the output of which the first input of the adder is connected, the output of which is connected to the output bus of the frequency tripler. The exponentiation block contains the first quadrator, a multiplier and the second quadrator connected between the second input and the second output of the exponentiation block, the first input of which is connected to the input of the first quadrator and the second input of the multiplier, the output of which is connected to the first output of the exponentiation block, with In this case, the first input of the multiplier is connected to the output of the first quad.

Недостатком данного утроителя частоты является невысокая точность, обусловленная большим количеством операционных блоков. Кроме того, возведение полезного сигнала в куб вносит дополнительную погрешность и сужает динамический диапазон входного сигнала.The disadvantage of this frequency tripler is the low accuracy due to the large number of operating units. In addition, cuing the useful signal introduces an additional error and narrows the dynamic range of the input signal.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является утроитель частоты [Патент №206703 РФ, МПК Н03В 19/00, опубл. 23.09.2021 г.], содержащий управляемый фазовращатель, компаратор, сумматор, интегратор со сбросом, преобразователь частота-напряжение, источник опорного напряжения и одновибратор, вход которого подключен к выходу компаратора, причем вход утроителя частоты 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 одно-вибратора, выход интегратора со сбросом соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход сумматора соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, выход которого соединен с выходом утроителя частоты.The closest analogue to the proposed utility model is the frequency tripler [Patent No. 206703 RF, IPC H03B 19/00, publ. 09/23/2021], containing a controlled phase shifter, a comparator, an adder, an integrator with reset, a frequency-voltage converter, a reference voltage source and a single vibrator, the input of which is connected to the output of the comparator, and the input of the frequency tripler is connected to the input of the controlled phase shifter and the input of the comparator, the output of which is connected through a frequency-voltage converter to the input of an integrator with reset, the reset input of which is connected to the output of a single vibrator, the output of the integrator with reset is connected to the first input of the adder, the second input of which is connected to the output of the reference voltage source, and the output of the adder is connected to the control the input of a controlled phase shifter, the output of which is connected to the output of the frequency tripler.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.This technical solution was chosen as a prototype.

Наличие интегратора в схеме прототипа приводит к необходимости корректировки его выходного напряжения в зависимости от частоты входного сигнала. Этой цели служит преобразователь частоты в напряжение. Недостатком данного утроителя является низкое его быстродействие особенно в области низких частот, обусловленное применением в устройстве преобразователя частоты в напряжение, в схеме которого на выходе используется фильтр нижних частот. При этом, постоянная времени фильтра нижних частот выбирается достаточно большой исходя из обеспечения заданных пульсаций выходного напряжения управления на самой нижней частоте рабочего диапазона, что предопределяет низкое быстродействие устройства во всем рабочем диапазоне частот.The presence of an integrator in the circuit of the prototype leads to the need to adjust its output voltage depending on the frequency of the input signal. This purpose is served by a frequency-to-voltage converter. The disadvantage of this tripler is its low speed, especially in the low-frequency region, due to the use of a frequency-to-voltage converter in the device, in the circuit of which a low-pass filter is used at the output. At the same time, the time constant of the low-pass filter is chosen sufficiently large based on the provision of specified ripples of the control output voltage at the lowest frequency of the operating range, which predetermines the low speed of the device in the entire operating frequency range.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия утроителя частоты.The technical result of the claimed utility model is to increase the speed of the frequency tripler.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный утроитель частоты, содержащий управляемый фазовращатель и компаратор, вход которого соединен с входом утроителя и входом управляемого фазовращателя, выход которого соединен с выходом утроителя, дополнительно введены квадратурный фазовращатель, амплитудный детектор, блок деления, управляемый усилитель, арксинусный преобразователь и блок масштабирования, причем вход утроителя через квадратурный фазовращатель соединен с первым входом блока деления и входом амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с входом управляемого усилителя, выход которого через арксинусный преобразователь соединен с входом блока масштабирования, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, а выход компаратора соединен с управляющим входом управляемого усилителя.This technical result is achieved by the fact that in the known frequency tripler containing a controlled phase shifter and a comparator, the input of which is connected to the input of the tripler and the input of the controlled phase shifter, the output of which is connected to the output of the tripler, a quadrature phase shifter, an amplitude detector, a division unit, a controlled amplifier, are additionally introduced, an arcsine converter and a scaling unit, wherein the input of the tripler through a quadrature phase shifter is connected to the first input of the division block and the input of the amplitude detector, the output of which is connected to the second input of the division unit, the output of which is connected to the input of a controlled amplifier, the output of which is connected through the arcsine converter to the input of the scaler , the output of which is connected to the control input of the controlled phase shifter, and the output of the comparator is connected to the control input of the controlled amplifier.

Существенными отличиями предлагаемого утроителя частоты являются введение квадратурного фазовращателя, амплитудного детектора, блока деления, управляемого усилителя, арксинусного преобразователя, блока масштабирования и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение заявляемого технического результата - повышение быстродействия утроителя частоты.The essential differences of the proposed frequency tripler are the introduction of a quadrature phase shifter, an amplitude detector, a division unit, a controlled amplifier, an arcsine converter, a scaling unit and the organization of new connections between the elements of the device. The combination of elements and connections between them ensure the achievement of the claimed technical result - increasing the speed of the frequency tripler.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. The essence of the utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлена функциональная схема утроителя частоты, In FIG. 1 shows a functional diagram of a frequency tripler,

на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u_вх, u₁, u₃-u₇ u_вых.in fig. 2 - time diagrams of voltages u _in , u ₁ , u ₃ -u ₇ u _out .

Утроитель частоты (фиг. 1) содержит управляемый фазовращатель 1, квадратурный фазовращатель 2, амплитудный детектор 3, блок деления 4, компаратор 5, управляемый усилитель 6, арксинусный преобразователь 7, блок масштабирования 8.The frequency tripler (Fig. 1) contains a controlled phase shifter 1, a quadrature phase shifter 2, an amplitude detector 3, a division unit 4, a comparator 5, a controlled amplifier 6, an arcsine converter 7, a scaling unit 8.

Утроитель частоты работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение u_вх=U_msinωt с частотой ω=2πƒ подается на входы управляемого фазовращателя 1, квадратурного фазовращателя 2 и компаратора напряжения 5.The frequency tripler works as follows. The input sinusoidal voltage u _in =U _m sinωt with frequency ω=2πƒ is fed to the inputs of the controlled phase shifter 1, quadrature phase shifter 2 and voltage comparator 5.

На выходе квадратурного фазовращателя 2 формируется напряжение u₁, сдвинутое по фазе на 90° относительно и_вх в сторону опережения (фиг. 2)At the output of the quadrature phase shifter 2, a voltage u ₁ is formed, shifted in phase by 90 ° relative to and in the _advance direction (Fig. 2)

u₁=U_mвхsin(ωt+90°)=U_mвхcosωt,u ₁ \ _u003d U min sin (ωt + 90 °) \ _u003d U min cosωt,

где ω=2πf - круговая частота напряжения сети.where ω=2πf is the circular frequency of the mains voltage.

Выходное напряжение квадратурного фазовращателя 2 подается на входы амплитудного детектора 3 и блока деления 4. После деления входного напряжения u_вх на его амплитуду u₁=U_m _вх, формируемую амплитудным детектором 1, в блоке деления 2, на его выходе формируется напряжение u₃=cosωt с единичной амплитудой, которое подается на вход управляемого усилителя 6.The output voltage of the quadrature phase shifter 2 is fed to the inputs of the amplitude detector 3 and division unit 4. After dividing the input voltage u _in by its amplitude u ₁ =U _m _in formed by the amplitude detector 1, in division unit 2, a voltage u ₃ = is formed at its output. cosωt with a unit amplitude, which is fed to the input of the controlled amplifier 6.

При этом компаратор 5 преобразует входное синусоидальное напряжение u_вх=U_msinωt в напряжение u₄ прямоугольной формы (фиг. 2), которое подается на управляющий вход управляемого усилителя 6.In this case, the comparator 5 converts the input sinusoidal voltage u in =U _m _sinωt into a rectangular voltage u ₄ (Fig. 2), which is fed to the control input of the controlled amplifier 6.

Это напряжение приводит к переключению полярности входного напряжения u₃ управляемого усилителя 6. Причем положительная полярность напряжения u₄ приводит к изменению полярности входного напряжения u₃ управляемого усилителя 6 на противоположную, а отрицательная полярность - не изменяет полярность напряжения u₃. Коэффициент передачи управляемого усилителя 6 выбран, равным единице, поэтому в первый полупериод входного напряжения u_вх он работает как инвертор, а во второй - как повторитель (фиг. 2). В результате на выходе управляемого усилителя 6 формируется напряжение u₅ с единичной амплитудой, состоящее из фрагментов косинусоид частотой 2ƒ, которое подается на вход арксинусного преобразователя 7. Арксинусный преобразователь 7 вычисляет угол, синус которого равен величине напряжения u₅ на его входе, и формирует на выходе пилообразное нарастающее напряжение u₆ с амплитудой U_6m, равной π/2 (фиг. 2).This voltage leads to switching the polarity of the input voltage u _{3 of} the controlled amplifier 6. Moreover, the positive polarity of the voltage u ₄ leads to a change in the polarity of the input voltage u _{3 of} the controlled amplifier 6 to the opposite, and the negative polarity does not change the polarity of the voltage u ₃ . The transfer coefficient of the controlled amplifier 6 is chosen equal to one, therefore, in the first half-cycle of the input voltage u _in , it works as an inverter, and in the second - as a repeater (Fig. 2). As a result, a voltage u ₅ with a unit amplitude is formed at the output of the controlled amplifier 6, consisting of fragments of cosine waves with a frequency of 2ƒ, which is fed to the input of the arcsine converter 7. The arcsine converter 7 calculates the angle, the sine of which is equal to the value of the voltage u ₅ at its input, and forms on output sawtooth rising voltage u ₆ with amplitude U _6m equal to π/2 (Fig. 2).

После прохождения блока масштабирования 8 размах пилообразного напряжения u₆ увеличивается, и его амплитуда достигает ±10 В. Коэффициент передачи блока масштабирования 8 равен 20/π. Пилообразное напряжение u₇ амплитудой ±10 В с выхода блока масштабирования 8 подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 1.After passing through the scaling block 8, the sawtooth voltage u ₆ increases and its amplitude reaches ±10 V. The transfer coefficient of the scaling block 8 is 20/π. A sawtooth voltage u ₇ with an amplitude of ±10 V from the output of the scaling unit 8 is applied to the control input of the controlled phase shifter 1.

В устройстве применен управляемый фазовращатель 1, 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, воздействуя на управляемый фазовращатель 1, изменяет фазу ϕ его входного сигнала от -180° до +180° с двухкратной частотой 2f.The device uses a controlled phase shifter 1, which allows you to linearly change the phase ϕ of the input signal from -180° to +180° when the control voltage changes from -10 V to +10 V (Fig. 2). This sawtooth control voltage, acting on the controlled phase shifter 1, changes the phase ϕ of its input signal from -180° to +180° with a double frequency 2f.

В результате на выходе управляемого фазовращателя 1 и на выходе утроителя частоты, формируется выходное напряжение u_вых As a result, at the output of the controlled phase shifter 1 and at the output of the frequency tripler, the output voltage u _out

u_вых=U_mвхsin(ωt+ϕ)=U_mвхsin(ωt-180°+2ωt)=U_mвхsin(3ωt-180°).u _out =U _min sin(ωt+ϕ)=U _min sin(ωt-180°+2ωt)=U _min sin(3ωt-180°).

Из полученного выражения и временных диаграмм (фиг. 2) видно, что частота выходного напряжения утроителя равна 3ω, то есть имеет место утроение частоты ω входного сигнала.From the obtained expression and timing diagrams (Fig. 2) it can be seen that the frequency of the output voltage of the tripler is 3ω, that is, there is a tripling of the frequency ω of the input signal.

Таким образом, применение в утроителе частоты квадратурного фазовращателя 2, амплитудного детектора 3, блока деления 4, управляемого усилителя 6, арксинусного преобразователя 7, блока масштабирования 8 позволяет добиться требуемого технического результата - повышение точности утроителя частоты.Thus, the use of a quadrature phase shifter 2, an amplitude detector 3, a division unit 4, a controlled amplifier 6, an arcsine converter 7, a scaling unit 8 in the frequency tripler makes it possible to achieve the desired technical result - increasing the accuracy of the frequency tripler.

При практической реализации предлагаемого утроителя частоты управляемый фазовращатель 1 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №206198 РФ, G01R 19/22. Управляемый фазовращатель, опубл. 30.08.2021 г.). Квадратурный фазовращатель 2 можно выполнить по схеме (Патент РФ №127554, Н03В 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, опубл. 27.04.2013 г.). Амплитудный детектор 3 можно выполнить по одной из известных схем (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 292, рис. 11.17; стр. 304, рис. 11.29). Блок деления 4 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ), включив перемножитель сигналов на микросхеме К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Компаратор 5 можно выполнить на ОУ. Управляемый усилитель 6 можно выполнить по схеме управляемого усилителя (Патент на ПМ №168550 РФ, МПК G01R 25/00, опубл. 8.02.2017 г.). Арксинусный преобразователь 7 можно выполнить по одной из схем (Авт.свид. СССР, №467365, G06G 7/22, 15.04.1975; Авт.свид. СССР, №1256051, G06G 7/22, 07.09.1986.) или на ОУ, включив формирователь синуса, выполненный по одной из схем (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 270, рис. 10.9; Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982, стр. 66, рис. 4.22), в цепь его отрицательной обратной связи. Блок масштабирования 8 представляет собой усилитель на ОУ с коэффициентом усиления 20/π.In the practical implementation of the proposed frequency tripler, the controlled phase shifter 1 can be performed according to the scheme (Patent for PM No. 206198 of the Russian Federation, G01R 19/22. Controlled phase shifter, publ. 08/30/2021). The quadrature phase shifter 2 can be made according to the scheme (RF Patent No. 127554, H03V 27/00. Quadrature signal shaper, publ. 27.04.2013). Amplitude detector 3 can be made according to one of the well-known schemes (A. J. Peyton, V. Volsh. Analog electronics on operational amplifiers. - M .: BINOM, 1994, p. 292, Fig. 11.17; p. 304, Fig. 11.29 ). The division block 4 can be performed on an operational amplifier (op-amp) by including a signal multiplier on the K525PS3 chip in its negative feedback circuit. Comparator 5 can be performed on the op-amp. Controlled amplifier 6 can be made according to the controllable amplifier circuit (Patent for PM No. 168550 RF, IPC G01R 25/00, publ. 02/08/2017). The arcsine converter 7 can be made according to one of the schemes (Author's certificate of the USSR, No. 467365, G06G 7/22, 04/15/1975; Aut. , turning on the sine shaper, made according to one of the schemes (A. J. Peyton, V. Volsh. Analog electronics on operational amplifiers. - M .: BINOM, 1994, p. 270, Fig. 10.9; Timonteev V.N., Velichko L.M., Tkachenko V.A. Analog signal multipliers in radio electronic equipment. - M.: Radio and communication, 1982, p. 66, Fig. 4.22), into its negative feedback circuit. The scaling unit 8 is an op-amp amplifier with a gain of 20/π.

Claims

A frequency tripler containing a controlled phase shifter and a comparator, the input of which is connected to the input of the tripler and the input of the controlled phase shifter, the output of which is connected to the output of the tripler, characterized in that it additionally includes a quadrature phase shifter, an amplitude detector, a division unit, a controlled amplifier, an arcsine converter, and a scaling unit, wherein the input of the tripler through a quadrature phase shifter is connected to the first input of the division unit and the input of the amplitude detector, the output of which is connected to the second input of the division unit, the output of which is connected to the input of a controlled amplifier, the output of which is connected through an arcsine converter to the input of the scaling unit, the output of which connected to the control input of the controlled phase shifter, and the output of the comparator is connected to the control input of the controlled amplifier.