ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована в различных радиотехнических устройствах, требующих деление частоты на два.
Известен делитель частоты гармонического сигнала [Ризкин И.Х. Умножители и делители частоты. М.: «Связь», 1966, с. 12-15, рис. 3.2, а], содержащий нелинейный элемент и счетчик периодов входного колебания.
Это устройство имеет высокий уровень паразитных составляющих выходного сигнала.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является делитель частоты гармонического сигнала [Авторское свидетельство СССР №668062 МПК Н03В 19/12, опубл. 15.06.1979 г.], содержащий блок извлечения квадратного корня, перемножитель сигналов, дискриминатор нулевого уровня, счетный триггер, источник постоянного напряжения, равного амплитуде входного сигнала и сумматор сигналов, входы которого соединены с входом делителя частоты и источником постоянного напряжения, а выход соединен с входом блок извлечения квадратного корня, выход которого соединен с входами пермножителя сигналов непосредственно и через последовательно соединенные дискриминатор нулевого уровня и счетный триггер.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Устройство позволяет существенно снизить уровень паразитных гармонических составляющих выходного сигнала. Однако недостатком данного делителя частоты является невысокая его точность, обусловленная тем, что он не обеспечивает равенства амплитуд входного и выходного напряжений в рабочем диапазоне значений входного сигнала. Кроме того, в нем амплитуда входного сигнала задается источником постоянного напряжения, а не измеряется автоматически. Это ограничивает работоспособность делителя частоты только амплитудой входного сигнала, равной заданной.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности делителя частоты гармонического сигнала.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный делитель частоты гармонического сигнала, содержащий счетчик периодов входного колебания, перемножитель, сумматор и источник постоянного напряжения, выход которого подключен к первому входу сумматора, дополнительно введены управляемый фазовращатель, компаратор, усилитель-ограничитель, интегратор, преобразователь частота-напряжение и управляемый усилитель, причем вход делителя частоты соединен с входом управляемого фазовращателя и входом компаратора, выход которого через счетчик периодов входного колебания соединен со вторым входом сумматора, выход которого через усилитель-ограничитель соединен с первым входом перемножителя, второй вход которого соединен с выходом преобразователя частота-напряжение, вход которого соединен с выходом компаратора, выход перемножителя соединен с входом интегратора, выход которого соединен с входом управляемого усилителя, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, выход которого соединен с выходом делителя частоты, а управляющий вход управляемого усилителя соединен с выходом счетчика периодов входного колебания.
Существенными отличиями предлагаемого устройства являются введение управляемого фазовращателя, компаратора, усилителя-ограничителя, интегратора, преобразователя частота-напряжение, управляемого усилителя и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение точности делителя частоты гармонического сигнала.
вх
1
2
5
8
9
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема делителя частоты, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений U, u, u, u, u, u и u.
Делитель частоты (фиг. 1) содержит управляемый фазовращатель 1, компаратор 2, счетчик периодов входного колебания 3, сумматор 4, усилитель-ограничитель 5, источник постоянного напряжения 6, преобразователь частота-напряжение 7, перемножитель 8, интегратор 9 и управляемый усилитель 10.
вх
m
вх
m
1
1
2
Делитель 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). Счетчик периодов входного колебания 3 делит частоту этого напряжения u на четыре, и на его выходе формируется напряжение u прямоугольной формы с частотой ω/4 (фиг. 2).
2
2
4
5
п1
6
max
п1
max
В сумматоре 4 напряжение u суммируется с отрицательным напряжением из от источника постоянного напряжения 6, величина которого выбирается около половины амплитуды u. В результате на выходе сумматора формируется переменное напряжение u прямоугольной формы с амплитудой близкой к 2,5 В, которое поступает на вход усилителя-ограничителя 5. Инвертирующий усилитель-ограничитель 5 формирует на своем выходе переменное напряжение u прямоугольной формы с фиксированным значением амплитуды, равным ±5 В. Это напряжение поступает на первый вход перемножителя 8, на второй вход которого поступает напряжение с выхода преобразователя частота-напряжение 7, пропорциональное частоте входного сигнала делителя частоты f. При этом коэффициент передачи K=U/f преобразователя частота-напряжение 7 выбирается таким образом, чтобы при максимальной рабочей частоте f делителя частоты, максимальное напряжение на втором входе перемножителя 8 не превышал 10 В, т.е. К=10/f.
5
6
7m
В результате перемножения напряжений u и u в перемножителе 8, на его выходе и на входе интегратора 9 формируется прямоугольное напряжение, амплитуда которого U пропорциональна текущей частоте f входного сигнала делителя частоты:
п1
max
где К=10/f - коэффициент передачи преобразователя частота-напряжение 7;
п2
К=0,1 - коэффициент передачи перемножителя 8;
5m
U=5 В - амплитуда выходного напряжения усилителя-ограничителя 5.
2
Интегратор 9 преобразует его входное напряжение u прямоугольной формы в переменное напряжение треугольной формы, амплитуда которого определяется выражением:
где Т=1/f - период входного сигнала делителя частоты.
7
8
8m
Так как амплитуда входного напряжения u интегратора 9 пропорциональна частоте f, то выходное напряжение u интегратора треугольной формы имеет стабильную амплитуду u=5 В и не зависит от частоты f входного сигнала делителя частоты.
Отсюда следует, что для выбора параметров времязадающих элементов схемы интегратора 9 R и С необходимо выдержать следующее соотношение:
8
2
9
2
8
8
2
Выходное напряжение u интегратора 9 треугольной формы с частотой f/4 подается на вход управляемого усилителя 10, на управляющий вход которого подается напряжение u прямоугольной формы с выхода счетчик периодов входного колебания 3. Это напряжение приводит к переключению полярности выходного напряжения u управляемого усилителя 10. Причем положительная полярность напряжение u приводит к изменению полярности выходного напряжения u интегратора 9 на противоположную, а отрицательная полярность - не изменяет полярность напряжения u. Коэффициент передачи управляемого усилителя 10 выбран, равным единице, поэтому в первый полупериод выходного напряжения u счетчика периодов входного колебания 3 он работает как инвертор, а во второй -как повторитель (фиг. 2).
9m
9
В результате на выходе управляемого усилителя 10 формируется переменное пилообразное напряжение амплитудой равной U=5 В и частотой f/2. Это напряжение u подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 1 (фиг. 2).
9
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 u, воздействуя на управляемый фазовращатель 1, изменяет фазу ϕ и его входного сигнала от -180° до +180° с частотой f/2 в два раза меньшей частоты f входного сигнала делителя частоты (фиг. 2).
вых
В результате на выходе управляемого фазовращателя 1 и на выходе делителя частоты, в соответствии с известными тригонометрическими тождествами, формируется выходное напряжение u:
вых
вх
вых
m вх
Из полученного выражения и временных диаграмм (фиг. 2) видно, что частота выходного напряжения u делителя частоты равна ω/2, то есть имеет место деление частоты ω входного сигнала u на два. При этом амплитуда выходного напряжения u делителя частоты равна амплитуде входного сигнала U.
Таким образом, применение в делителе частоты гармонического сигнала управляемого фазовращателя 1, компаратора 2, одновибратора 4, интегратора со сбросом 5, преобразователя частота-напряжение 6 и инвертора 10 позволяет добиться требуемого технического результата - повышение точности делителя частоты.
При практической реализации предлагаемого делителя 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. В качестве счетного триггера 3 можно использовать обычный двоичный счетчик импульсов. Сумматор 4 представляет собой неинвертирующий сумматор на ОУ. Усилитель-ограничитель 5 может быть выполнен по схеме (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 267, рис. 11.10). Источник постоянного напряжения 6 представляет собой обычный источник стабильного напряжения. В качестве преобразователя частота-напряжение 7 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1. 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.).