УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ И ФАЗЫ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Заявляемое устройство относятся к области радиотехники и электросвязи. Основные области применения данного устройства связаны с метрологией, а также с радиотехническими системами, использующими фазовую и частотную модуляцию сигналов.
В радиотехнике хорошо известны и широко применяются нелинейные резонансные умножители частоты (Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высшая школа, 1983, с.332-333). Такой умножитель представляет собой последовательное включение нелинейного преобразователя и узкополосного фильтра. При прохождении входного гармонического сигнала
н
через нелинейный преобразователь образуется сигнал U(t), представляющей собой сумму некоторого количества гармонических составляющих
В случае умножения частоты в n раз соответствующая n-я гармоника выделяется с помощью узкополосного фильтра.
n
Основными недостатками таких умножителей является узкая полоса рабочих частот и многофакторная зависимость (неопределенность) значения фазы φ n-й гармоники. Указанные недостатки резонансных умножителей существенно снижают их функциональные возможности при умножении частоты и фазы квазигармонического сигнала, частота которого меняется в широкой полосе частот (системы с фазовой и частотной модуляцией сигналов).
Очевидным путем расширения диапазона входных рабочих частот умножителя частоты с заданной кратностью n умножения является подбор такого типа нелинейного преобразования, которое обеспечивает получение на выходе только заданной одной n-й гармоники.
Известны устройства умножения частоты и фазы, основанные на полиномиальном нелинейном преобразовании исходного гармонического сигнала, обеспечивающие получение на выходе сигнала с умноженной в заданное количество раз частотой и фазой (Кушнир В.Ф., Ферсман Б.А. Теория нелинейных электрических цепей. - М.: Связь, 1974, С.87-88). Принцип их действия состоит в следующем. Гармонический сигнал подают на вход нелинейного четырехполюсника со специально подобранным типом нелинейности. Действие такого нелинейного преобразователя должно сводиться к умножению частоты ω начальной фазы φ исходного сигнала (1) в n раз. С выхода нелинейного четырехполюсника снимают сигнал y(t), частота и фаза которого умножены в n раз. В аналитическом виде гармонический сигнал y(t) с умноженной в n раз частотой имеет вид
В обобщенном виде нелинейное преобразование четырехполюсника можно записать в следующем виде
Из (1) и (3) несложно найти математический вид необходимой нелинейной функции
n
Выражения Т(х), обеспечивающие преобразование (5), известны в математике как многочлены (полиномы) Чебышева первого рода (Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике. - М.: Наука, 1970, С.663). Многочлен Чебышева n-го порядка обеспечивает умножение частоты в n раз. Многочлен Чебышева нечетного порядка представляет собой сумму нечетных степенных функций с первого по n-й порядок включительно. Многочлен Чебышева четного порядка представляет собой сумму четных степенных функций с нулевого по n-й порядок включительно. Вид многочленов Чебышева известен практически для любых значений n. В частности,
Достоинством умножителей частоты, выполненных на основе нелинейного преобразования чебышевского типа, является отсутствие ненужных гармонических составляющих, кроме умноженной в необходимое число раз по частоте и фазе гармоники.
Основным недостатком описанных устройств умножения частоты и фазы является ограниченный диапазон рабочих частот. Этот недостаток обусловлен сложностью технической реализации достаточно точных и быстродействующих преобразователей степенного типа. Как известно, такие преобразователи могут быть как аналогового (Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых схем. - М.: Радио и связь, 1985, 256 с.), так и цифрового типа. Степенные преобразователи цифрового типа обычно реализуются на основе цифровых универсальных или специализированных ЭВМ. Недостатком таких преобразователей является большой объем вычислений и как следствие этого -низкое быстродействие и невозможность работы на достаточно высоких частотах. Степенные преобразователи аналогового типа могут быть построены как на основе устройств с кусочно-линейной аппроксимацией, так и на основе аналоговых множительных устройств (см., например, Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982, С.59-63). В любом случае построения точность аналоговых степенных преобразователей относительно невелика. Поэтому при использовании таких степенных преобразователей в умножителях частоты не удается обеспечить получение только одной гармонической составляющей и эффективное подавление других составляющих.
Существенно увеличить быстродействие и точность чебышевского полиномиального преобразования входного сигнала можно с помощью устройств, в
которых совмещены цифровые и аналоговые элементы. Это способствует расширению диапазона рабочих частот умножения частоты и фазы.
Наиболее близким к заявляемому является устройство умножения частоты и фазы, основанное на нелинейном полиномиальном преобразовании исходного гармонического сигнала, обеспечивающим получение на выходе сигнала с умноженной в заданное количество раз частотой и фазой (Патент РФ №2186454. Способ широкополосного умножения частоты и устройство для его осуществления / Гоц С.С., Сапельников В.М. Опубл. в БИ - 2002. - №21.).
Устройство-прототип содержит аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен со входом устройства, N цифро-аналоговых преобразователей умножающего типа, аналоговый вход первого из которых подключен к выходу источника постоянного опорного напряжения, а аналоговый вход каждого из N-1 последующих цифро-аналоговых преобразователей соединен с аналоговым выходом предыдущего цифро-аналогового преобразователя, каждый из аналоговых выходов цифро-аналоговых преобразователей и выход источника опорного напряжения через соответствующие масштабные преобразователи с заданными по величине и знаку коэффициентами передачи соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого через фильтр нижних частот соединен с выходом устройства.
В зависимости от количества N задействованных цифро-аналоговых преобразователей и соответствующих масштабных преобразователей данное устройство осуществляет умножение частоты и фазы поступающих на вход гармонических сигналов в N раз за счет реализуемых нелинейных зависимостей типа (6)-(9).
Конкретный вариант реализации устройства на микросхемах цифро-аналоговых преобразователей 572ПА1А, операционных усилителях К140УД17, с управлением от компьютера описан в (Вахитов P.P., Сапельников В.M., Хакимов Р.А. Умножитель частоты на функциональных цифро-аналоговых преобразователях // Приборы и техника эксперимента, 2003. М. №5, - С.76-78).
Недостатком данного устройства является ограниченность функциональных возможностей умножителя, заключающаяся в невозможности быстрого изменения коэффициента умножения, поскольку схема состоит из элементов с фиксированными параметрами.
Задачей, решаемой с помощью предлагаемой полезной модели, является расширение функциональных возможностей умножителя частоты и фазы за счет обеспечения быстрой перестройки коэффициента умножения.
Задача решается тем, что в известный умножитель частоты и фазы гармонических сигналов, основанный на нелинейном полиномиальном чебышевском преобразовании исходного сигнала и содержащий аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен со входом устройства, N цифро-аналоговых преобразователей умножающего типа, аналоговый вход первого из которых подключен к выходу источника постоянного опорного напряжения, а аналоговый вход каждого из N-1 последующих цифро-аналоговых преобразователей соединен с аналоговым выходом предыдущего цифро-аналогового преобразователя, каждый из аналоговых выходов цифро-аналоговых преобразователей и выход источника опорного напряжения через соответствующие масштабные преобразователи с заданными по величине и знаку коэффициентами передачи соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого через фильтр нижних частот соединен с выходом устройства, дополнительно введены задающее устройство и микроконтроллер, управляющие входы которого подключены к выходам задающего устройства, информационные выходы - к цифровым входам цифроаналоговых преобразователей, а управляющие выходы - к соответствующим входам масштабных преобразователей, сумматора и фильтра нижних частот, при этом аналогово-цифровой преобразователь встроен в микроконтроллер.
Нa фиг.1 изображен пример реализации предлагаемого устройства.
Устройство содержит задающее устройство 1, источник опорного напряжения 2 и три микросхемы большой степени интеграции: программируемый микроконтроллер 3, имеющий в своем составе контрольно-вычислительную часть 4 и встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, микросхему 6 с набором цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 7-10 (ЦАП1-ЦАПN) и программируемую аналоговую микросхему 11, имеющую в своем составе программируемые элементы, на которых реализованы масштабные преобразователи 12-16, сумматор 17 и фильтр нижних частот 18.
Выходы задающего устройства 1 подключены к соответствующим управляющим входам микроконтроллера 3. Аналоговый вход встроенного АЦП 5 является входом умножителя, а его цифровой выход связан с внутренней шиной микроконтроллера 3, информационные выходы которого соединены с соответствующими цифровыми входами всех ЦАП микросхемы 6. Микроконтроллер 3 имеет также отдельную группу управляющих выходов, соединенных с соответствующими входами программируемых (кодоуправляемых) элементов 12-18 микросхемы 11.
i
0
Аналоговый вход первого ЦАП 7 соединен с источником опорного напряжения 2. Аналоговый вход каждого из N-1 последующих ЦАП 8-10 соединен с аналоговым выходом предыдущего ЦАП. Кроме того, аналоговый выход каждого i-го ЦАП через соответствующие масштабные преобразователи 13-16 с коэффициентом передачи а и выход источника опорного напряжения 2 через преобразователь уровня 12 с коэффициентом передачи а соединены со входами аналогового сумматора 17. Выход сумматора 17 через фильтр нижних частот 18 соединен с выходом устройства.
Устройство работает следующим образом. Требуемый коэффициент умножения выставляют на задающем устройстве 1 (которым может являться набор переключателей, кнопок или клавиатура). Эта информация считывается микроконтроллером 3, преобразуется им в соответствующий цифровой код, который выставляется на управляющих выходах. Этот управляющий код, воздействуя на аналоговые программируемые элементы 12-18 микросхемы 11, определяет требуемый вид полиномиального чебышевского преобразования. Программируемые элементы 12-16 и 18 представляют собой операционные усилители, у которых можно изменять параметры элементов обратной связи и задавать таким образом знак преобразования, коэффициент усиления и полосу частот. Сумматор 17 также выполнен на базе операционного усилителя, включенного по схеме суммирования сигналов и входит во многие выпускаемые промышленностью программируемые аналоговые интегральные схемы (Полищук А. Программируемые аналоговые ИС Anadigm: структура и принцип построения // Современная электроника, №1 - 2005, с.24-27).
j
d
j
l
j
В дискретные моменты времени t входной гармонический сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию в АЦП 5, работа которого синхронизируется контрольно-вычислительной частью 4 микроконтроллера 3. Цифровой код U(t) с АЦП поступает на внутреннюю шину микроконтроллера, а затем на информационные выходы микроконтроллера и поступает на цифровые входы N ЦАП, выполняющих функцию потенциометров, управляемых цифровым кодом. Мгновенная величина напряжения z(t) на выходе первого ЦАП составляет:
0
i
j
где b - некоторая константа преобразования каждого ЦАП, U - опорное напряжение источника 2. На выходе каждого i-го по счету ЦАП мгновенная величина z(t) напряжения будет равна:
∑
j
j
На выходе сумматора 17 дискретные значения напряжения U(t) в момент времени t будут равны:
Величина коэффициентов передачи а, выбирается в соответствии с величиной b и видом полиномов Чебышева (см. выражения (6)-(9)) исходя из требуемого коэффициента умножения частоты n.
d
После прохождения через ФНЧ 18, частота среза которого по крайней мере в n раз превышает половину частоты f дискретизации входного сигнала, на выходе устройства образуется сигнал, частота и фаза которого будут умножены в заданное число раз.
Возможны следующие варианты применения известных микросхем для построения функциональных узлов умножителя.
В качестве программируемого микроконтроллера могут быть использованы, например, следующие микроконтроллеры: MB90F455 фирмы Fujitsu; TMS470R1A512 фирмы Texas Instruments; LPC2124 фирмы Philips, каждый из которых имеет встроенные 10-разрядные АЦП, позволяющие работать со входными сигналами частотой до 100 кГц. Для работы с более низкочастотными сигналами, частоты которых ограничены звуковым диапазоном, вполне пригодны популярные микроконтроллеры фирм Microchip и Atmel со встроенными АЦП различной разрядности.
В качестве микросхем с наборами ЦАП могут быть использованы следующие: МАХ505, МАХ7225 (4 8-разрядных ЦАП), МАХ526 (4 12-разрядных ЦАП), МАХ547 (8 13-разрядных ЦАП), МАХ5264 (8 14-разрядных ЦАП) фирмы MAXIM; AD7841 (8 14-разрядных ЦАП) фирмы Analog Devices; LTC1458 (4 12-разрядных ЦАП) фирмы Linear Technologies. Разрядность ЦАП должна быть не ниже разрядности используемого АЦП.
В качестве программируемых аналоговых микросхем могут быть использованы: ispPAC10 фирмы Lattice Semiconductor; TRAC020LH фирмы ZETEX и AN231E04 фирмы Anadigm.
Таким образом, для реализации умножителя требуется всего 3 интегральные микросхемы.
По сравнению с прототипом заявляемое устройство обладает следующими преимуществами:
- расширенными функциональными возможностями умножителя частоты и фазы, так как его коэффициент умножения может быть легко перепрограммирован, в том числе в процессе работы устройства;
- уменьшенными габаритами и массой за счет применения микросхем большой степени интеграции;
- меньшей трудоемкостью изготовления;
- сниженным энергопотреблением, так как микроминиатюризация сопровождается обычно снижением энергопотребления устройств.