УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЕВИАЦИИ ЧАСТОТЫ ПЕРИОДИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Полезная модель относится к радиотехнике и другим областям электронной техники, в которых используются сигналы с угловой модуляцией, и может быть использовано для преобразования девиации частоты с любым заданным коэффициентом преобразования.
В качестве аналога полезной модели может быть рассмотрено известное устройство преобразования девиации частоты [1], которое содержит многоступенчатый умножитель частоты, смеситель и генератор. В результате умножения частоты частотно модулированного сигнала девиация частоты увеличивается в целое число раз, а затем спектр переносится в нужный диапазон частот.
Недостатками известного устройства являются сложность реализации, дискретность преобразования девиации частоты, большая разница между частотой сигнала, поступающего на частотный модулятор, и частотой сигнала после умножения.
Известны способ [2] и реализующее его устройство [3] (прототип) для преобразования девиации частоты периодического сигнала, содержащее первый смеситель, к первому входу которого подключен выход первого полосного усилителя, а к выходу подключен вход второго полосного усилителя, второй смеситель, к первому входу которого подключен выход второго полосного усилителя, третий смеситель, к входам которого подключены выходы первого и второго полосных усилителей, а выход подключен к входу третьего полосного усилителя, выход которого является выходом устройства, а входом устройства являются соединенные вместе вторые входы первого и второго смесителей, преобразователь начальной фазы, вход которого подключей к выходу второго смесителя, а выход подключен к входу первого полосного усилителя
Недостатком известного устройства является неустойчивость автоколебательной системы в области больших коэффициентов преобразования.
Цель полезной модели - увеличение коэффициента преобразования девиации частоты периодического сигнала и получение его максимально возможных значений из технически реализуемого диапазона.
С этой целью в известное устройство для преобразования девиации частоты периодического сигнала, содержащее первый смеситель, к первому входу которого подключен выход первого полосного усилителя, ко второму входу подключен вход устройства, а выход подключен к входу второго полосного усилителя, второй смеситель, к первому входу которого подключен выход второго полосного усилителя, а выход подключен к входу преобразователя начальной фазы, выход которого подключен к входу первого полосного усилителя, третий смеситель, к входам которого подключены выходы первого и второго полосных усилителей, а выход подключен к входу третьего полосного усилителя, выход которого является выходом устройства, с целью увеличения девиации частоты выходного сигнала по сравнению с девиацией частоты входного сигнала, к входу устройства подключен полосный фильтр, выход которого подключен ко второму входу второго смесителя.
С целью получения инверсной фазочастотной характеристики каскадного соединения преобразователь начальной фазы и первый полосный усилитель по отношению к фазочастотной характеристике первого полосного усилителя, преобразователь начальной фазы содержит четвертый полосный усилитель, вход которого является входом преобразователя начальной фазы, а выход подключен к обоим входам четвертого смесителя и к входу многокаскадного полосного усилителя, выход которого подключен к первому входу пятого смесителя, интегратор, вход которого подключен к выходу четвертого смесителя, вычитатель, к первому входу которого подключен выход четвертого смесителя, ко второму входу которого подключен выход интегратора, а выход подключен к второму входу пятого смесителя, выход которого является выходом преобразователя начальной фазы.
Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании полезной модели, являются простые устройства частотной модуляции, дающие большие индексы модуляции выходных сигналов и имеющие возможность плавного изменения индекса модуляции; согласующие устройства для частотных систем автоматического управления; усилители сверх малых девиаций частоты выходных сигналов частотных датчиков.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства.
Устройство содержит балансные смесители 1, 3, 7, полосные усилители 2, 5, 8, преобразователь начальной фазы 4, и полосный фильтр 6.
На фиг.2 изображен вариант структурной схемы преобразователя начальной фазы.
Преобразователь начальной фазы содержит полосный усилитель 9, многокаскадный полосный усилитель 10, балансные смесители 11 и 13, интегратор 12 и вычитатель 14.
На фиг.3 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации частоты входного периодического сигнала, когда его частота равна сумме частот генерируемых сигналов.
2
1
Приведены зависимости (φ(f) и φ(f) эквивалентных фазочастотных характеристик.
На фиг.4 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации частоты входного периодического сигнала, когда его частота равна разности частот генерируемых сигналов.
2
1
Приведены зависимости (φ(f) и φ(f) эквивалентных фазочастотных характеристик.
10
20
Резонансные частоты f и f первого и второго полосных усилителей выбирают в соответствии с условием:
На фиг.1 приведена структурная схема устройства для преобразования девиации частоты периодического сигнала. Устройство содержит смеситель 1, к первому входу которого подключен выход полосного усилителя 5, а к выходу подключен вход полосного усилителя 2, смеситель 3, к первому входу которого подключен выход полосного усилителя 2, а к выходу подключен вход преобразователя начальной фазы 4, выход которого подключен к входу полосного усилителя 5, смеситель 7, к входам которого подключены выходы полосных усилителей 2 и 5, а выход подключен к полосному усилителю 8, вход полосного фильтра 6 и второй вход смесителя 1 подключены ко входу устройства, второй вход смесителя 3 подключен к выходу полосного фильтра 6, а выходом устройства является выход усилителя 8.
Устройство работает следующим образом.
0
00
1
2
10
20
0
10
20
0
1
1
0
Входной периодический частотно модулированный сигнал со средней частотой f подается на второй вход смесителя 1 и через фильтр 6 на второй вход смесителя 3. Резонансная частота фильтра f равна средней частоте входного сигнала. В смесителях входной сигнал перемножается с выходными сигналами полосных усилителей 2 и 5. На выходах полосных усилителей 2 и 5 генерируются сигналы с частотами f и f ,если выполнены условия баланса амплитуд и баланса фаз. Полосные усилители имеют резонансные частоты f и f.Частота f входного сигнала и резонансные частоты f и f выбираются из условия (1). Выходные сигналы балансных смесителей 1 и 3 содержат компоненты с суммарной и разностной частотой смешиваемых сигналов. На выходе полосного усилителя 2 генерируется сигнал, частота которого равна разности f и f или f и f в зависимости от знака в условии (1). На выходе полосного усилителя 5 генерируется сигнал, частота которого равна  в соответствии со знаком в условии (1). Благодаря преобразователю начальной фазы 4 фазочастотные характеристики полосного усилителя 2 и каскадного соединения "преобразователь начальной фазы 4 - полосный усилитель 5" имеют наклоны разного знака (см. фиг.3 и фиг.4).
Установившийся режим в рассматриваемом устройстве при выполнении условия баланса амплитуд определяется системой уравнений:
Если значения средней частоты входного сигнала и резонансных частот полосных усилителей отвечают условию (1), то баланс фаз по замкнутому контуру смеситель 1, усилитель 2, смеситель 3, преобразователь 4, усилитель 5 выполняется при нулевых фазовых сдвигах. Частоты генерируемых сигналов совпадают с резонансными частотами усилителей 2 и 5.
1
2
0
0
1
1
2
2
Смещение частоты входного сигнала относительно среднего значения нарушает условия (2). Начинается переходный процесс, заключающийся в изменении частот выходных сигналов полосных усилителей до тех пор, пока не наступит баланс фаз при новых значениях частот.Новый установившийся режим показан на фиг.3 и фиг.4. Ему соответствуют частоты f и f. Смещения частот генерируемых сигналов при определенных условиях много больше смещения частоты входного сигнала. Фазочастотные характеристики φ(f), φ(f) и φ(f) описываются выражениями
0
1
2
W Q Q и Q - добротности фильтра и резонансных усилителей.
Для наглядности анализа линеаризуем фазочастотные характеристики в пределах полосы пропускания:
Решая (2) для верхних знаков с использованием (4) найдем частоты генерируемых сигналов:
Аналогично решая (2) для нижних знаков получим выражения:
Чувствительность частоты выходного сигнала к изменению частоты входного сигнала в обоих случаях определяется выражением:
Сравнивая полученное выражение для чувствительности (7) с аналогичным выражением для чувствительности у прототипа (8):
легко убедиться в полученном преимуществе за счет увеличения значения числителя (7).
В устройстве происходит преобразование (усиление) девиации частоты. Коэффициент преобразования может быть много больше, чем у прототипа.
0
00
1
2
0
1
2
1
2
Отрицательный знак в (7) и (8) получен благодаря преобразователю начальной фазы 4. Дополнительное увеличение чувствительности получено благодаря внесению в автоколебательную систему фазового сдвига с помощью полосного фильтра 6. Это иллюстрируется фиг.3 и фиг.4. На фиг.3 показан случай настройки устройства в соответствии с верхними знаками в (2). При смещении частоты входного сигнала f относительно f баланс фаз, при отсутствии фильтра 6, выполняется при фазовых сдвигах в усилителе 2 и в эквивалентном усилителе 4-5, равных φ∗. Этот фазовый сдвиг определяет частоты генерируемых сигналов f∗ и f∗ Фильтр 6 вносит в автоколебательную систему дополнительный фазовый сдвиг φ. Окончательный баланс фаз будет при фазовых сдвигах φ и φ, а частоты генерируемых сигналов сместятся до значений f и f.
На фиг.4 показан случай настройки устройства в соответствии с нижними знаками в (2). Эффект увеличения смещения частот генерируемых сигналов аналогичен.
Пример структурной схемы преобразователя начальной фазы приведен на фиг.2.
Преобразователь начальной фазы 4 содержит полосный усилитель 9, вход которого является входом преобразователя начальной фазы, а выход подключен к обоим входам смесителя 13 и к входу многокаскадного полосного усилителя 10, выход которого подключен к первому входу смесителя 11, интегратор 12, вход которого подключен к выходу смесителя 13, вычитатель 14, к первому входу которого подключен выход смесителя 13, ко второму входу которого подключен выход интегратора 12, а выход подключен к второму входу смесителя 11, выход которого является выходом преобразователя начальной фазы.
Преобразователь начальной фазы 4 работает следующим образом.
Полосный усилитель 9 и все каскады трехкаскадного полосного усилителя 10 имеют одинаковую добротность, равную добротности полосного усилителя 5, и настроены на его резонансную частоту. При смещении частот генерируемых сигналов относительно резонансных частот, в усилителе 9 и в каждом каскаде трехкаскадного усилителя 10 сигнал приобретает дополнительный фазовый сдвиг Δφ. В результате, если начальная фаза входного сигнала преобразователя 4 была ψ, то на выходе усилителя 10 его начальная фаза будет (ψ+4Δφ). Начальная фаза сигнала с двойной частотой на выходе смесителя 13 будет (2ψ+2Δφ). С помощью интегратора 12 и вычитателя 14 из выходного сигнала смесителя 13 исключается постоянная составляющая, которая вносит нелинейные искажения в установившемся режиме. У сигнала на выходе смесителя 11 с разностной частотой, равной частоте входного сигнала преобразователя 4, начальная фаза будет равна (2ψ+2Δφ-ψ-4Δφ). В полосном усилителе 5 сигнал получает дополнительный фазовый сдвиг Δφ, и начальная фаза генерируемого сигнала на его выходе будет (ψ-Δφ).Все указанное справедливо при любом значении Δφ. Эквивалентная фазочастотная характеристика каскадного соединения преобразователя начальной фазы 4 и полосного усилителя 5 будет инверсной по отношению к фазочастотной характеристике полосного усилителя 5, и соответствует первому выражению (3).
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет во много раз увеличить девиацию частоты выходного сигнала по сравнению с девиацией частоты входного сигнала и создать на его основе усилители девиации частоты по аналогии с амплитудными усилителями.
Список источников для рассмотрения в ходе экспертизы.
1. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / В.В.Шахгильдян, В.Б.Козырев и др. - М.: Радио и связь, 1990. - 432 с.
2. Патент РФ №2216848 Способ преобразования девиации частоты периодического сигнала. Авторы Шакурский В.К., Иванов В.В. Опубл. 20.11.2003, Бюл. №32.
3. Патент РФ №2214034 Устройство для преобразования девиации частоты периодического сигнала. Авторы Шакурский В.К., Иванов В.В. Опубл. 10.10.2003, Бюл. №28.