УТРОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к радиотехнике и связи и может быть использована в качестве умножителя частоты.
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.
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.
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.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
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.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия утроителя частоты.
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.
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.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена функциональная схема утроителя частоты,
вх
1
3
7
вых
на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u, u-u u.
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.
вх
m
Утроитель частоты работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение u=Usinωt с частотой ω=2πƒ подается на входы управляемого фазовращателя 1, квадратурного фазовращателя 2 и компаратора напряжения 5.
1
вх
На выходе квадратурного фазовращателя 2 формируется напряжение u, сдвинутое по фазе на 90° относительно и в сторону опережения (фиг. 2)
1
mвх
mвх
u=Usin(ωt+90°)=Ucosωt,
где ω=2πf - круговая частота напряжения сети.
вх
1
m
вх
3
Выходное напряжение квадратурного фазовращателя 2 подается на входы амплитудного детектора 3 и блока деления 4. После деления входного напряжения u на его амплитуду u=U, формируемую амплитудным детектором 1, в блоке деления 2, на его выходе формируется напряжение u=cosωt с единичной амплитудой, которое подается на вход управляемого усилителя 6.
вх
m
4
При этом компаратор 5 преобразует входное синусоидальное напряжение u=Usinωt в напряжение u прямоугольной формы (фиг. 2), которое подается на управляющий вход управляемого усилителя 6.
3
4
3
3
вх
5
5
6
6m
Это напряжение приводит к переключению полярности входного напряжения u управляемого усилителя 6. Причем положительная полярность напряжения u приводит к изменению полярности входного напряжения u управляемого усилителя 6 на противоположную, а отрицательная полярность - не изменяет полярность напряжения u. Коэффициент передачи управляемого усилителя 6 выбран, равным единице, поэтому в первый полупериод входного напряжения u он работает как инвертор, а во второй - как повторитель (фиг. 2). В результате на выходе управляемого усилителя 6 формируется напряжение u 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 u на его входе, и формирует на выходе пилообразное нарастающее напряжение u с амплитудой U, равной π/2 (фиг. 2).
6
7
После прохождения блока масштабирования 8 размах пилообразного напряжения u увеличивается, и его амплитуда достигает ±10 В. Коэффициент передачи блока масштабирования 8 равен 20/π. Пилообразное напряжение u амплитудой ±10 В с выхода блока масштабирования 8 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 -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.
вых
В результате на выходе управляемого фазовращателя 1 и на выходе утроителя частоты, формируется выходное напряжение u
вых
mвх
mвх
mвх
u=Usin(ωt+ϕ)=Usin(ωt-180°+2ωt)=Usin(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.
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.
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.