УТРОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY TREBLER

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве умножителя частоты.
Известно устройство [1], содержащее подключенный к входным выводам выпрямитель и последовательно соединенный с ним суммирующий узел, к концам секционированных обмоток которого подключены управляемые ключи, суммирующий узел выполнен одно- или двухфазным, а управляемые ключи, включенные в цепь каждой фазы его обмотки, соединены последовательно с выпрямителем, выход которого подключен также к пороговому узлу каждого управляемого ключа, соединенному с цепью управления последнего.
Устройство может быть использовано в силовой преобразовательной технике и позволяет получить на выходах сигналы утроенной частоты, но требует для своего применения наличия трехфазной сети.
Известно устройство [2], содержащее первый, второй, третий отрезки полосковой линии, согласующе-фильтрующую цепь и подстроечный конденсатор, первым выводом присоединенный к одним концам первого, второго и третьего отрезков полосковой линии, а вторым выводом - к общей шине, к которой присоединены другие выводы первого, второго и третьего варакторов, при этом одни концы первого, второго и третьего отрезков полосковой линии объединены и подключены к выходу согласующе-фильтрующей цепи, а к другим концам которых одними выводами присоединены, соответственно, первый, второй и третий варакторы, причем вход выходной согласующе-фильтрующей цепи подключен к другим концам первого, второго и третьего отрезков полосковой линии.
Устройство работает только на определенной частоте (длине волны), для перехода на другую частоту необходимо изменить параметры полосковой линии.
Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является, принятый за прототип, утроитель частоты [3], содержащий три компаратора, три одновибратора, 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.
При подаче на вход устройства гармонического сигнала, амплитуда и частота которого изменяются в широких пределах, на выходе устройства формируются импульсные сигналы прямоугольной формы, частота которых в три раза превышает частоту входного сигнала.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства путем получения на его выходе гармонического сигнала, частота которого втрое превышает частоту входного сигнала.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей путем получения на его выходе гармонического сигнала, частота которого втрое превышает частоту входного сигнала.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в утроитель частоты, содержащий делитель, сумматор, компаратор, одновибратор и устройство выборки-хранения, первый вход которого соединен с входной шиной утроителя частоты, а второй вход - с выходом одновибратора, вход которого подключен к выходу компаратора, при этом выход делителя соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с выходной шиной утроителя частоты, дополнительно введены 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 с входом дифференцирующего блока, вторым входом сумматора и первым входом блока возведения в степень, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами делителя, а к выходу устройства выборки-хранения подключен второй вход блока возведения в степень.
Блок возведения в степень выполнен из первого квадратора, перемножителя и второго квадратора, включенного 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.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Введение в предлагаемый утроитель частоты блока возведения в степень и дифференцирующего блока, а также организация новых связей между функциональными элементами позволило расширить функциональные возможности устройства и получить на его выходе гармонический сигнал, частота которого втрое превышает частоту входного сигнала.
Изобретение поясняется структурной схемой утроителя частоты, изображенной на фиг. 1, и графиками, поясняющими принцип работы утроителя частоты, - на фиг. 2.
Утроитель частоты содержит делитель 1, сумматор 2, компаратор 3, одновибратор 4, устройство выборки-хранения 5, блок возведения в степень 6 и дифференцирующий блок 7, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора 3, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, при этом входная шина утроителя частоты соединена со вторым входом сумматора 2, первым входом блока возведения в степень 6, входом дифференцирующего блока 7 и первым входом устройства выборки-хранения 5, выход которого соединен со вторым входом блока возведения в степень 6, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами делителя 1, к выходу которого подключен первый вход сумматора 2, выход которого соединен с выходной шиной утроителя частоты.
Блок возведения в степень 6 содержит первый квадратор 8, перемножитель 9 и второй квадратор 10, включенный между вторым входом и вторым выходом блока возведения в степень 6, первый вход которого соединен с входом первого квадратора 8 и вторым входом перемножителя 9, выход которого соединен с первым выходом блока возведения в степень 6, при этом первый вход перемножителя 8 подключен к выходу первого квадратора 8.
Утроитель частоты работает следующим образом.
При подаче на входную шину гармонического сигнала (фиг. 2, а)
1
1
2
с амплитудным значением А и частотой  на выходе первого квадратора 8 формируется сигнал , где m - масштабный коэффициент первого квадратора, а на выходе умножителя 9 (фиг. 2, б) - сигнал , где m - масштабный коэффициент перемножителя 9.
На выходе дифференцирующего блока 7 формируется (фиг. 2, в) сигнал
где τ - постоянная времени дифференцирующего блока 7.
1
Из (2) видно, что амплитуда сигнала D(t) будет изменяться при изменении частоты ω, но фазовый сдвиг между сигналами D(t) и S(t) всегда будет сохранять постоянное значение (90 электрических градусов).
Сигнал D(t) подается на инвертирующий вход компаратора 3, на выходе которого будет сформирован (фиг. 2,в) сигнал K(t), который поступает на вход одновибратора 4.
l
Одновибратор 4, срабатывающий по переднему фронту видеоимульсов K(t), формирует (фиг. 1, а) узкие стробирующие импульсы Т, совпадающие с максимальным значением входного сигнала S(t).
1
m
1
1
m
1
На первый вход устройства выборки-хранения 5 подается входной сигнал S(t), а на второй его вход - стробирующий импульс Т, в результате чего на выходе устройства выборки-хранения 5 формируется (фиг. 1,а) постоянное напряжение E, величина которого в точности равна амплитудному значению A сигнала S(t), то есть E=А.
m
3
Напряжение E поступает на второй вход блока возведения в степень 6, в результате на выходе второго квадратора 10 формируется напряжение , где m - масштабный коэффициент второго квадратора 10.
При непосредственной подаче сигнала L(t) на первый вход сумматора 2 на его выходе будет сформирован сигнал
1
2
где k и k - коэффициенты передачи сумматора 2, соответственно, по первому и второму входам.
1
1
*
При нормированном значении амплитуды А=А=1 входного сигнала S(t) выражение (3) упрощается
1
Из (4) следует, что при нормированном (стабилизированном) значении амплитуды А=1 на первый вход сумматора 2 будет поступать фиксированное значение сигнала L(t).
В этом случае выражение (4) можно привести к классическому виду [4]
1
1
2
2
где k⋅m⋅m=4; k=-3.
1
1
2
При малейшем отклонении амплитуды А входного сигнала S(t) от номинального значения равенство (5) не будет соблюдаться и произойдет искажение формируемого сигнала S(t) тем большее, чем больше величина этого отклонения.
1
1
Для исключения этого эффекта и обеспечения нормальной работы утроителя частоты при любых (технически возможных) значениях амплитуды А входного сигнала S(t) в устройстве используется делитель 1.
Сигнал N(t) на выходе делителя 1
1
2
3
4
Для серийно выпускаемых перемножителей и квадраторов, выполненных на их основе, значения масштабных коэффициентов m=m=m=m=0,1, а значение масштабного коэффициента делителя m=10.
В этом случае на выходе делителя 9 будет сформирован
На выходе сумматора 2 сигнал
1
2
где k и k - коэффициенты передачи сумматора 2, соответственно, по первому и второму входам.
1
2
Если принять значения коэффициентов k=4, а k=-3, то выражение (3) можно привести к виду
2
1
Из (1) и (5) следует, что частота выходного сигнала S(t) в три раза больше частоты входного сигнала S(t), при этом работоспособность устройства сохраняется при любых (технически возможных) значениях амплитуды входного сигнала.
Во всем диапазоне изменения амплитуды входного сигнала амплитуда выходного сигнала будет в точности равна амплитуде входного сигнала.
Источники информации
1. А.с СССР №2037258, H02M 5/458. Райкин П.С. «Утроитель частоты с трехфазным входом», заявл. 15.10.1992, опубл. 09.06.1995.
2. А.с СССР №1229946, H03B 19/14. Свистов В.М., Нефедов В.И., Говорушкин В.Н., Никулин О.М. «Утроитель частоты», заявл. 20.02.1984, опубл. 07.05.1986. Бюл. №17.
3. Патент РФ №2565509, H03B 19/00. Дубровин B.C., Зюзин A.M. «Утроитель частоты», заявл. 29.09.2014, опубл. 20.10.2015. Бюл. №29 (прототип).
4. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М., 1986, с. 177.