УПРАВЛЯЕМЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована в различных радиотехнических устройствах, требующих деление частоты с изменяемым коэффициентом деления.
Известен 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 блока извлечения квадратного корня, выход которого соединен с входами пермножителя сигналов непосредственно и через последовательно соединенные дискриминатор нулевого уровня и счетный триггер.
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.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является делитель частоты гармонического сигнала [Патент РФ №206322 МПК Н03В 19/12, H03K 21/00 опубл. 6.09.2021 г.], содержащий управляемый фазовращатель, компаратор, счетный триггер, одновибратор, интегратор со сбросом, преобразователь частота-напряжение, перемножитель, источник постоянного напряжения, сумматор и инвертор, причем выход источника постоянного напряжения подключен к первому входу сумматора, вход делителя частоты соединен с входом управляемого фазовращателя и входом компаратора, выход которого через счетный триггер соединен с входом одновибратора, выход которого соединен с входом сброса интегратора со сбросом, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого через инвертор соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, выход которого соединен с выходом делителя частоты, выход компаратора через преобразователь частота-напряжение соединен с первым входом перемножителя, второй вход которого соединен с выходом источника постоянного напряжения, а выход перемножителя соединен с входом интегратора.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного делителя частоты является то, что он делит частоту входного сигнала на два, т.е. на фиксированный коэффициент деления.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей делителя частоты гармонического сигнала за счет обеспечения регулируемого коэффициента деления, включая дробные его значения.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный делитель частоты гармонического сигнала, содержащий управляемый фазовращатель, одновибратор, интегратор со сбросом, перемножитель, первый сумматор и источник постоянного напряжения, причем вход делителя частоты соединен с входом управляемого фазовращателя, управляющий вход которого соединен с выходом первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом интегратора со сбросом, вход которого соединен с выходом перемножителя, второй вход которого соединен с выходом источника постоянного напряжения и вторым входом первого сумматора, а выход одновибратора соединен с входом сброса интегратора со сбросом, отличающийся тем, что в него дополнительно введены преобразователь напряжение-частота и второй сумматор, выход которого через преобразователь напряжение-частота соединен с входом одновибратора, а вход управления делителя частоты соединен с первыми входами второго сумматора и перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора.
Существенными отличиями предлагаемого устройства являются введение преобразователя напряжение-частота, второго сумматора и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширение функциональных возможностей делителя частоты гармонического сигнала за счет обеспечения регулируемого коэффициента деления.
вх
y
3
6
7
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема управляемого делителя частоты, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, U, u, u, u и u, на фил. 3 - регулировочная характеристика.
Управляемый делитель частоты (фиг. 1) содержит управляемый фазовращатель 1, сумматоры 2 и 8, преобразователь напряжение-частота (ПНЧ) 3, одновибратор 4, интегратор со сбросом 5, перемножитель 6 и источник постоянного напряжения 7.
y
5
1
2
ПНЧ
Управляемый делитель частоты работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение  с частотой  подается на вход управляемого фазовращателя 1. При этом напряжение управления U подается на вход сумматора 2, где суммируется с выходным напряжением U=+5 В источника постоянного напряжения 7 (фиг. 2). Полученное напряжение u поступает на вход ПНЧ 7 и преобразуется в импульсное напряжение u частотой f, определяемой выражением:
где  - коэффициент передачи ПНЧ 3.
ПНЧ
вх
пmax
Коэффициент передачи К ПНЧ 3 выбирается таким образом, чтобы при входном напряжении 10 В частота его выходных импульсов соответствовала удвоенной частоте входного напряжения 2f или максимальной рабочей частоте f пилообразного напряжения интегратора со сбросом 5, т.е.
2
ПНЧ
По фронту выходных импульсов ПНЧ u запускается одновибратор 4, в результате на его выходе формируются короткие по длительности импульсы частотой f, которые поступают на вход сброса интегратора со сбросом 5 (фиг. 2).
ymax
5
Выходное напряжение источника постоянного напряжения 7 выбирается положительной полярности, равным максимальному значению напряжения управления U, равного +5 В, т.е. U=+5 В.
4
y
5
При этом на входе интегратора со сбросом 5 формируется напряжение u, равное результату перемножения в перемножителе 6 напряжений U и U:
п
где К=0,1 - коэффициент передачи перемножителя 6;
5
U=5 В - выходное напряжение источника постоянного напряжения 7.
6
вх
На выходе интегратора со сбросом 5 формируется пилообразное напряжение u отрицательной полярности с частотой 2f, амплитуда которого определяется по формуле (фиг. 2):
4
где U - величина входного напряжения интегратора со сбросом 5;
ПНЧ
f - частота выходного напряжения ПНЧ 3;
ПНЧ max
f - максимальная частота выходного напряжения ПНЧ 3;
R - сопротивление резистора интегратора со сбросом 5;
С - емкость конденсатора интегратора со сбросом 5.
6m
Для выбора параметров времязадающих элементов схемы R и С при амплитуде выходного пилообразного напряжения интегратора со сбросом 5, равной U=-10 В, необходимо выдержать следующее соотношение:
6m
y
В результате амплитуда выходного пилообразного напряжения интегратора со сбросом 5 всегда постоянна U=-10 В и не зависит от напряжения управления U во всем его рабочем диапазоне.
4
5
7
Выходное напряжение u интегратора со сбросом 5 суммируется в сумматоре 8 с постоянным напряжением U=+5 В от источника постоянного напряжения 7, в результате чего на выходе сумматора 8 формируется переменное спадающее пилообразное напряжение u амплитудой 5 В. Это напряжение подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 1 (фиг. 2).
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° (фиг. 2).
вых
В результате на выходе управляемого фазовращателя 1 и на выходе делителя частоты, формируется выходное напряжение u:
где  - коэффициент деления делителя частоты.
вых
вых
дел
y
y
дел
m вых
m вх
Из полученного выражения видно, что частота ω выходного напряжения u делителя частоты зависит от коэффициента деления К, который в свою очередь зависит от напряжения управления U. Изменяя напряжение U можно плавно изменять значения коэффициента деления К. При этом амплитуда выходного напряжения U делителя частоты равна амплитуде входного напряжения U.
дел
y
дел
y
y
Зависимость коэффициента деления К от напряжения управления U представляет собой регулировочную характеристику K=f(U)=1/(0,2(U), которая приведена на фиг. 3. Характеристика представляет собой гиперболическую зависимость. Если необходимо иметь прямо пропорциональную линейную зависимость, то на входе управления необходимо включить гиперболический преобразователь.
Таким образом, приведенный управляемый делитель частоты гармонического сигнала позволяет получить регулируемый коэффициент деления частоты, включая дробные его значения.
Следует отметить, что при небольшой разности частот входного напряжения и пилообразного напряжения можно получить на выходе достаточно стабильное синусоидальное напряжение инфранизких частот.
Применение в регулируемом делителе частоты гармонического сигнала второго сумматора 2 и преобразователя напряжение-частота 3 позволяет добиться требуемого технического результата - расширение функциональных возможностей делителя частоты гармонического сигнала за счет обеспечения регулируемого коэффициента деления.
При практической реализации предлагаемого управляемого делителя частоты управляемый фазовращатель 1 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №206198 РФ, G01R19/22. Управляемый фазовращатель, опубл. 30.08.2021 г.). Сумматоры 2 и 8 представляют собой неинвертирующие сумматоры на ОУ. В качестве преобразователя напряжение-частота 3 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1. Одновибратор 4 можно выполнить на микросхеме К561АГ1. Интегратор со сбросом 5 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). Перемножитель 6 можно выполнить на микросхеме КР525ПС3. Источник постоянного напряжения 7 представляет собой обычный источник стабильного напряжения.