УТРОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к радиотехнике и связи и может быть использована в качестве умножителя частоты.
Известен утроитель частоты [Авторское свидетельство СССР №1229946 МПК Н03В 19/14, опубл. 15.04.1981 г.], 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.
Недостатком данного устройства то, что на его выходе формируется напряжение прямоугольной формы, а не гармонический сигнал, частота которого в три раза превышает частоту входного гармонического сигнала.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является утроитель частоты [Патент №2628255 РФ, МПК Н03В 19/14, опубл. 15.08.2017 г.], содержащий делитель, сумматор, компаратор, одновибратор, устройство выборки-хранения, 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 со вторым входом сумматора, первым входом блока возведения в степень, входом дифференцирующего блока и первым входом устройства выборки-хранения, выход которого соединен со вторым входом блока возведения в степень, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами делителя, к выходу которого подключен первый вход сумматора, выход которого соединен с выходной шиной утроителя частоты.
Блок возведения в степень содержит первый квадратор, перемножитель и второй квадратор, включенный 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.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
вых
x
y
п
вх
вых
Недостатком данного утроителя частоты является узкий рабочий диапазон входного напряжения. Это связано с тем, что обычный перемножитель напряжений, используемый в устройстве в качестве квадратора и реализующий уравнение U=UU/10, имеет коэффициент передачи m=0,1. В результате чего при возведении в куб уже U=0,1 В выходное напряжение U первого перемножителя (блока возведения в степень) будет составлять
что с учетом коэффициента сигнал/шум значительно нижней границей рабочего диапазона полезного сигнала. Следовательно, нижний порог входного напряжения блока возведение в степень будет определяться уровнем напряжения шумов его выходного напряжения.
Если принять нижнюю границу рабочего диапазона выходного полезного сигнала перемножителя 0,001 В, то нижний порог входного напряжения блока возведение в степень, а, следовательно, и входного напряжения утроителя частоты, составит:
вх max
Тогда при максимальном значении входного напряжения перемножителя, равного U=10 В, динамический диапазон входного напряжения устройства составит всего
п
Повысив искусственно (схемотехнически) коэффициент передачи перемножителя, например, до единицы m=1, приведет к пропорциональному снижению верхней и нижней границ диапазона входного напряжения и совсем не повлияет на его динамический диапазон:
где
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение динамического диапазона входного напряжения утроителя частоты.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный утроитель частоты, содержащий делитель, сумматор, квадратор и первый перемножитель, причем вход квадратора соединен со вторыми входами перемножителя и сумматора, первый вход которого соединен с выходом перемножителя, первый вход которого соединен с выходом квадратора, дополнительно введены амплитудный детектор и второй умножитель, причем вход утроителя частоты подключен к первому входу делителя и входу амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом второго перемножителя и вторым входом делителя, выход которого подключен к входу квадратора, а выход сумматора подключен к входу второго перемножителя, выход которого соединен с выходом утроителя частоты.
Существенными отличиями предлагаемого утроителя частоты являются введение амплитудного детектора и второго умножителя. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение заявляемого технического результата.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема утроителя частоты, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений
Утроитель частоты (фиг. 1) содержит делитель 1, амплитудный детектор 2, квадратор 3, первый 4 и второй 5 перемножители и сумматор 6.
m
m
Утроитель частоты работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение  подается на первый вход делителя 1 и вход амплитудного детектора 2, на выходе которого формируется напряжение равное амплитуде входного U, которое подается на второй вход делителя 1. В результате деления в делителе 1 входного напряжения  на его амплитудное значение U, на его выходе формируется синусоидальное напряжение с единичной амплитудой (фиг. 2):
д
При этом коэффициент передачи делителя принят равным m=1.
Таким образом, амплитуда входного напряжения стабилизируется на единичном уровне вне зависимости от амплитуды входного напряжения .
После возведения в квадрат в квадраторе 3 напряжения  на его выходе формируется напряжение (фиг. 2):
п
При этом коэффициент передачи перемножителя принят равным m=1. В результате перемножения в первом перемножителе 4 напряжений  на его выходе формируется напряжение , равное напряжению  в кубе (фиг. 2):
В сумматоре 6 напряжения  складываются, причем коэффициент передачи сумматора по первому входу составляет - 4, а по второму 3. В результате на выходе сумматора 6 формируется напряжение  в соответствии с тригонометрическим тождеством, частота которого в три раза выше частоты входного напряжения  (фиг. 2):
m
Во втором перемножителе 5 происходит перемножение напряжения  с выходным напряжением амплитудного детектора U. В результате на выходе второго перемножителя 5 и на выходе утроителя частоты формируется напряжение  (фиг. 2):
Таким образом, во втором перемножителе 5 происходит восстановление текущей амплитуды входного напряжения утроителя, а на его выходе формируется синусоидальное напряжение  с частотой в три раза большей частоты входного напряжения .
Благодаря применению в предлагаемой полезной модели утроителя стабилизации амплитуды входного напряжения его динамический диапазон составит:
вх max
вх min
где U=10 В; U=0,001 В,
что примерно в три раза больше, чем у прототипа.
п
д
При использовании в заявляемом утроителе стандартных значений коэффициентов передачи перемножителя m=0,1 и делителя m=10, не повлияет на динамический диапазон устройства с той лишь разницей, что стабилизация амплитуды будет происходить на уровне 10 В.
Таким образом, применение в утроителе частоты амплитудного детектора и второго умножителя позволяет добиться требуемого технического результата - расширение динамического диапазона входного напряжения.
При практической реализации предлагаемого устройства амплитудный детектор 2 можно выполнить по одной из известных схем (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 292, рис. 11.17; стр. 304, рис. 11.29). В качестве перемножителей напряжений 4, 5 можно использовать микросхему К525ПС3. При построении квадратора 3 можно использовать перемножитель напряжений с коэффициентом передачи равным единицы, выполненный на микросхеме КР525ПС3 (Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991, стр. 75, рис. 3.12, а), объединив входы х и у. Делитель 1 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ), включив перемножитель напряжений на микросхеме К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Сумматор 6 представляет собой параллельный (дифференциальный) сумматор на ОУ с соответствующими коэффициентами передачи по входам.