УТРОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к радиотехнике и связи и может быть использована в качестве умножителя частоты.
Известен утроитель частоты [Авторское свидетельство СССР №1229946 МПК Н03В 19/14, опубл. 15.04.1981 г.], содержащий три компаратора, три одно-вибратора, устройство выборки-хранения, делитель, два управляемых интегратора, два сумматора, инвертор и источник постоянного напряжения, минусовой зажим которого соединен с общей шиной, а плюсовой - со вторым входом первого сумматора, к выходу которого подключены первый вход второго управляемого интегратора и второй вход второго сумматора, выход которого соединен с неинвертирующим входом третьего компаратора, выход которого соединен с выходом утроителя частоты, входная шина которого соединена с первыми входами устройства выборки-хранения и делителя и неинвертирующим входом первого компаратора, к выходу которого подключен первый вход первого сумматора, между выходом которого и первым входом первого управляемого интегратора включен инвертор, при этом первый одновибратор включен между выходом первого компаратора и вторым входом первого управляемого интегратора, второй одновибратор включен между выходом второго компаратора и вторым входом устройства выборки-хранения, а третий одновибратор включен между выходом первого компаратора и вторым входом второго управляемого интегратора, выход которого соединен с неинвертирующим входом второго компаратора, инвертирующий вход которого соединен с выходом первого управляемого интегратора, причем к выходу устройства выборки-хранения подключен второй вход делителя, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, а инвертирующие входы первого и третьего компараторов соединены с общей шиной.
Недостатком данного устройства то, что на его выходе формируется напряжение прямоугольной формы, а не гармонический сигнал, частота которого в три раза превышает частоту входного гармонического сигнала.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является 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.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
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.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности утроителя частоты.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный утроитель частоты, содержащий сумматор, компаратор и одновибратор, вход которого подключен к выходу компаратора, дополнительно введены управляемый фазовращатель, интегратор со сбросом, преобразователь частота-напряжение и источник опорного напряжения, 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 одновибратора, 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.
Существенными отличиями предлагаемого утроителя частоты являются введение управляемого фазовращателя, интегратора со сбросом, преобразователя частота-напряжение и источника опорного напряжения. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение заявляемого технического результата.
вх
1
2
4
6
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема утроителя частоты, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u, u, u, u, u и угла сдвига фазы ϕ.
Утроитель частоты (фиг. 1) содержит управляемый фазовращатель 1, компаратор 2, одновибратор 3, интегратор со сбросом 4, преобразователь частота-напряжение 5, источник опорного напряжения 6 и сумматор 7.
вх
m
вх
m
2
вх
3
n
3
max
max
Утроитель частоты работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение u = Usinωt с частотой ω = 2πf подается на входы управляемого фазовращателя 1 и компаратора напряжения 2. Компаратор 2 преобразует входное синусоидальное напряжение u = Usinωt в напряжение u прямоугольной формы (фиг. 2). Одновибратор 3 формирует узкие импульсы по фронту и спаду напряжения u2, которые подаются на вход сброса интегратора со сбросом 4. При этом на вход интегратора со сбросом 4 подается напряжение из отрицательной полярности с выхода преобразователя частота-напряжение 5. Преобразователь частота-напряжение 5 исключает влияние частоты входного сигнала u утроителя на амплитуду выходного напряжения интегратора со сбросом 4 путем изменения величины его входного напряжения u в зависимости от частоты. Коэффициент передачи K = -U/f преобразователя частота-напряжение 5 выбирается таким образом, чтобы при максимальной рабочей частоте f утроителя, размах входного напряжение интегратора со сбросом 4 не превышал 10 В, т.е. Kn = 10/f.
На выходе интегратора со сбросом формируется пилообразное напряжение u4 положительной полярности с двухкратной частотой 2f, амплитуда которого определяется по формуле:
4m
где U - амплитуда выходного напряжения интегратора со сбросом 4;
3
T - период входного напряжения u,
3
f - частота входного напряжения u;
R - сопротивление резистора интегратора;
С - емкость конденсатора интегратора.
Для выбора параметров времязадающих элементов схемы интегратора R и С необходимо выдержать следующее соотношение:
4m
вх
Таким образом, амплитуда выходного пилообразного напряжения интегратора со сбросом 4 всегда постоянна U = 10 В и не зависит от частоты входного сигнала u утроителя.
4
5
оп
Выходное напряжение u интегратора со сбросом 4 суммируется в сумматоре 7 с опорным напряжением u = U = -5 В от источника опорного напряжения 6, в результате чего на выходе сумматора 7 формируется переменное пилообразное напряжение u6 амплитудой 5 В. Это напряжение подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 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 -5 В до +5 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.
вых
В результате на выходе управляемого фазовращателя 1 и на выходе утроителя частоты, в соответствии с известными тригонометрическими тождествами, формируется выходное напряжение u:
Из полученного выражения и временных диаграмм (фиг. 2) видно, что частота выходного напряжения утроителя равна 3ω, то есть имеет место утроение частоты со входного сигнала.
Таким образом, применение в утроителе частоты управляемого фазовращателя 1, преобразователя частота-напряжение 5, интегратора со сбросом 4 и источника опорного напряжения 6 позволяет добиться требуемого технического результата - повышение точности утроителя частоты.
При практической реализации предлагаемого утроителя частоты управляемый фазовращатель 1 можно выполнить по схеме (Патент на изобретение №2303326 РФ. Широкополосный фазовращатель с управляемым углом фазы, МПК Н03В 7/12, Н03Н 11/16, опубл. 10.09.2006 г.). Компаратор 2 можно выполнить на микросхеме К554СА3. Одновибратор 3 можно выполнить по схеме (Зубчук В.И и др. Справочник по цифровой схемотехнике. - К. Тэхника, 1990, стр. 245, рис. 8.13). Интегратор со сбросом 4 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). В качестве преобразователя частота-напряжение 5 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1. Источник опорного напряжения 6 представляет собой обычный источник стабильного напряжения. Сумматор 7 представляет собой неинвертирующий сумматор на ОУ.