УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЕВИАЦИИ ЧАСТОТЫ В ДЕВИАЦИЮ ФАЗЫ 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 в девиацию фазы с произвольным коэффициентом преобразования.
В качестве аналога полезной модели может быть рассмотрено известное устройство преобразования девиации частоты в девиацию фазы [1], которое содержит интегрирующее звено. Известное устройство широко используется в фазовых модуляторах, синтезируемых косвенным методом.
Недостатком известного устройства является низкая чувствительность и нелинейные искажения модулирующего сигнала.
Известно устройство преобразования девиации частоты в девиацию фазы, содержащее полосный усилитель [1]. В известном устройстве изменение частоты сигнала на входе усилителя приводит к дополнительному изменению начальной фазы сигнала на выходе усилителя.
Недостатком известного устройства является необходимость использования полосных усилителей с большой крутизной ФЧХ. Это ограничивает чувствительность известного устройства.
Известно устройство для преобразования девиации частоты в девиацию фазы периодического сигнала (прототип), которое содержит первый смеситель, к первому входу которого подключен выход первого полосного усилителя, второй смеситель, к первому входу которого подключен выход второго полосного усилителя, а выход 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, регистратор, первый вход которого подключен к выходу третьего полосного усилителя, преобразователь начальной фазы, вход которого подключен к выходу первого смесителя, выход подключен к входу второго полосного усилителя, а ко вторым входам первого смесителя, второго смесителя и регистратора подключен вход устройства [2].
Недостатком известного устройства является неустойчивость автоколебательной системы в области больших значений чувствительности.
Цель полезной модели - увеличение чувствительности устройства для преобразования девиации частоты в девиацию фазы периодического сигнала и получение ее максимально возможных значений из технически реализуемого диапазона.
С этой целью в известное устройство, содержащее первый смеситель, к выходу которого подключен вход преобразователя начальной фазы, первый полосный усилитель, к входу которого подключен выход преобразователя начальной фазы, а выход подключен к первым входам второго и третьего смесителей, второй полосный усилитель, вход которого подключен к выходу второго смесителя, а выход подключен ко вторым входам первого и третьего смесителей, третий полосный усилитель, вход которого подключен к выходу третьего смесителя, регистратор девиации фазы, первый входу которого подключен ко второму входу второго смесителя и к входу устройства, а второй вход подключен к выходу третьего полосного усилителя, к входу устройства подключен полосный фильтр, выход которого подключен к первому входу первого смесителя.
С целью получения инверсной ФЧХ каскадного соединения преобразователь начальной фазы и первый усилитель по отношению к ФЧХ 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 фазовой модуляции, обладающие высокой чувствительностью, измерители сверх малых отклонений частоты в радиотехнических измерениях, преобразователи сверх малых девиаций частоты выходных сигналов частотных датчиков.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства.
Устройство содержит балансные смесители 1, 5, 8, полосные усилители 2, 6, 7, преобразователь начальной фазы 4, полосный фильтр 3 и регистратор 9.
На фиг.2 изображен вариант структурной схемы преобразователя начальной фазы.
Преобразователь начальной фазы содержит полосный усилитель 10, многокаскадный полосный усилитель 11, балансные смесители 12 и 14, интегратор 13 и вычитатель 15.
На фиг.3 изображены графики, иллюстрирующие преобразование девиации частоты входного периодического сигнала в девиацию фазы выходного 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 в девиацию фазы выходного 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 выходу которого подключен вход преобразователя начальной фазы 4, полосный усилитель 7, к входу которого подключен выход преобразователя начальной фазы 4, а выход подключен к первым входам смесителей 5 и 8, полосный усилитель 2, вход которого подключен к выходу смесителя 8, а выход подключен ко вторым входам смесителей 1 и 5, полосный усилитель 6, вход которого подключен к выходу смесителя 5, регистратор девиации фазы 9, первый входу которого подключен ко второму входу смесителя 8 и к входу устройства, а второй вход подключен к выходу полосного усилителя 6, к входу устройства подключен полосный фильтр 3, выход которого подключен к первому входу смесителя 1.
Устройство работает следующим образом.
0
00
2
1
10
20
0
10
20
0
1
1
0
Входной периодический частотно модулированный сигнал со средней частотой f подается на второй вход смесителя 8 и через фильтр 3 на первый вход смесителя 1. Резонансная частота фильтра f равна средней частоте входного сигнала. В смесителях входной сигнал перемножается с выходными сигналами полосных усилителей 2 и 7. На выходах полосных усилителей 2 и 7 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 8 содержат компоненты с суммарной и разностной частотой смешиваемых сигналов. На выходе полосного усилителя 2 генерируется сигнал, частота которого равна разности f-f или f-f в зависимости от знака в условии (1). На выходе полосного усилителя 7 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 7” имеют наклоны разного знака (см. фиг.3 и фиг.4).
Установившийся режим в рассматриваемом устройстве при выполнении условия баланса амплитуд определяется системой уравнений:
С помощью смесителя 5 и полосного усилителя 6 выделяется сигнал с частотой, равной частоте входного сигнала, а фазовый сдвиг между ними определяется левой или правой частью второго уравнения системы (2).
Если значения средней частоты входного сигнала и резонансных частот полосных усилителей отвечают условию (1), то баланс фаз по замкнутому контуру смеситель 1, преобразователь 4, усилитель 7, смеситель 8, усилитель 2 выполняется при нулевых фазовых сдвигах. Частоты генерируемых сигналов совпадают с резонансными частотами усилителей 2 и 7.
1
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.
0
0
1
1
2
2
Смещения частот генерируемых сигналов при определенных условиях много больше смещения частоты входного сигнала, а фазовый сдвиг в усилителях много больше фазового сдвига в фильтре 3. Фазочастотные характеристики φ(f), φ(f) и φ(f) описываются выражениями
, ,
0
1
2
где Q Q и Q - определяют крутизну ФЧХ 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:
;
,
Фазовый сдвиг между выходным сигналом и входным в обоих случаях определяется выражением:
, или
Чувствительность фазового сдвига к изменению частоты входного сигнала в обоих случаях определяется выражением:
Сравнивая полученное выражение для чувствительности (8) с аналогичным выражением для чувствительности у прототипа (9):
легко убедиться в полученном преимуществе за счет увеличения значения числителя (8).
В устройстве происходит преобразование девиации частоты периодического сигнала в девиацию его фазы. Чувствительность устройства может быть много больше, чем у прототипа.
0
00
0
1
2
1
2
Отрицательный знак в (8) и (9) получен благодаря преобразователю начальной фазы 4. Дополнительное увеличение чувствительности получено благодаря внесению в автоколебательную систему фазового сдвига с помощью полосного фильтра 3. 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 4-7, равных φ*. Этот фазовый сдвиг определяется частотами генерируемых сигналов  и . 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 чувствительности устройства аналогичен.
Пример структурной схемы преобразователя начальной фазы приведен на фиг.2.
Преобразователь начальной фазы 4 содержит полосный усилитель 10, вход которого является входом преобразователя начальной фазы, а выход подключен к обоим входам смесителя 14 и к входу многокаскадного полосного усилителя 11, выход которого подключен к первому входу смесителя 12, интегратор 13, вход которого подключен к выходу смесителя 14, вычитатель 15, к первому входу которого подключен выход смесителя 14, ко второму входу которого подключен выход интегратора 13, а выход подключен ко второму входу смесителя 12, выход которого является выходом преобразователя начальной фазы.
Преобразователь начальной фазы 4 работает следующим образом.
Полосный усилитель 10 и все каскады трехкаскадного полосного усилителя 11 имеют одинаковую добротность, равную добротности полосного усилителя 5, и настроены на его резонансную частоту. При смещении частот генерируемых сигналов относительно резонансных частот, в усилителе 10 и в каждом каскаде трехкаскадного усилителя 11 сигнал приобретает дополнительный фазовый сдвиг Δφ. В результате, если начальная фаза входного сигнала преобразователя 4 была ψ, то на выходе усилителя 11 его начальная фаза будет (ψ+4Δφ). Начальная фаза сигнала с двойной частотой на выходе смесителя 14 будет (2ψ+2Δφ). С помощью интегратора 13 и вычитателя 15 из выходного сигнала смесителя 14 исключается постоянная составляющая, которая вносит нелинейные искажения в установившемся режиме. У сигнала на выходе смесителя 12 с разностной частотой, равной частоте входного сигнала преобразователя 4, начальная фаза будет равна (2ψ+2Δφ-ψ-4Δφ). В полосном усилителе 7 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 7 будет инверсной по отношению к фазочастотной характеристике полосного усилителя 7, и соответствует первому выражению (3).
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет во много раз увеличить чувствительность устройства для преобразования девиации частоты входного сигнала в девиацию фазы выходного сигнала относительно начальной фазы входного сигнала.
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 №2233021 Устройство для преобразования девиации частоты в девиацию фазы периодического сигнала. Авторы Глушенков М.С., Иванов В.В. Опубл. 20.07.2004, Бюл. №20.