ГАРМОНИЧЕСКИЙ УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использовано в радиопередающих и радиоприемных устройствах, измерительной технике и фазометрических системах в качестве источника гармонических колебаний повышенной частоты.
Известен гармонический удвоитель напряжения [Махов М.Е. Умножитель частоты на полевых транзисторах // Радиотехника, 1974, №9. С. 96-97, рис. 1.], содержащий задающий генератор, двухтактный каскад, включающий парафазный усилитель, выполняющий функцию расщепителя фазы с первым и вторым противофазными выходами, нагрузочный резистор, первый и второй активные элементы, выходные электроды которых соединены между собой и подключены к нагрузочному резистору, при этом истоковые электроды этих активных элементов соединены с общей точкой, а их управляющие электроды через конденсаторы соединены с выходами парафазного усилителя, первый и второй источники напряжения смещения, первый и второй резисторы.
Недостатком этого известного устройства является высокий уровень побочных гармоник на его выходе.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является гармонический удвоитель частоты [Патент на изобретение №2411632 РФ, МПК Н03В 7/12, Н03В 19/00, опубл. 10.02.2011 г.], содержащий задающий генератор, двухтактный каскад, включающий расщепитель фазы с первым и вторым противофазными выходами, нагрузочный резистор, первый и второй активные элементы, выходные электроды которых соединены между собой и подключены к первому выводу нагрузочного резистора, первый конденсатор, первый вывод которого подсоединен к первому выходу расщепителя фазы, а второй его вывод соединен с управляющим электродом первого активного элемента и, через последовательно соединенный первый резистор и первый источник напряжения смещения, к общей точке, второй конденсатор, первый вывод которого подключен ко второму выходу расщепителя фазы, а второй его вывод соединен с управляющим электродом второго активного элемента и через последовательно соединенные второй резистор и второй источник напряжения смещения к общей точке, при этом истоковый электрод первого активного элемента и истоковый электрод второго активного элемента подсоединены к общей точке, источник напряжения питания и третий конденсатор, первый вывод которого подсоединен к потенциальному выводу источника питания, а второй к общей точке, при этом второй вывод нагрузочного резистора подключен к потенциальному выводу источника напряжения питания, фазовращатель с фазовым сдвигом 180°, вход которого подключен к точке соединения выходных электродов первого и второго активных элементов, выходная согласующая цепь с первым и вторым противофазными входами, первый вход которой подключен к точке соединения выходных электродов первого и второго активных элементов, а второй ее вход подсоединен к выходу фазовращателя. При этом выходом устройства является выход выходной согласующей цепи.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Данный удвоитель позволяет существенно снизить уровень побочных гармоник, но не устраняет их полностью. Это приводит к искажению формы выходного напряжения и снижению точности преобразования частоты.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности удвоителя частоты.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный гармонический удвоитель частоты, содержащий задающий генератор, фазовращатель и источник напряжения смещения, дополнительно введены компаратор, одновибратор, интегратор со сбросом, преобразователь частота-напряжение и сумматор, причем фазовращатель выполнен управляемым с фазовым сдвигом 360°, выход задающего генератора соединен с входом управляемого фазовращателя и входом компаратора, выход которого через преобразователь частота-напряжение соединен с входом интегратора со сбросом, вход сброса которого соединен с выходом одновибратора, вход которого соединен с выходом компаратора, выход интегратора со сбросом соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника напряжения смещения, а выход сумматора соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, выход которого соединен с выходом удвоителя частоты.
Существенными отличиями предлагаемого гармонического удвоителя частоты являются введение компаратора, одновибратора, интегратора со сбросом, преобразователя частота-напряжение, сумматора и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение точности удвоителя частоты.
1
3
5
7
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема удвоителя частоты, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u-u, u, u и u.
Гармонический удвоитель частоты (фиг. 1) содержит задающий генератор 1, управляемый фазовращатель 2, компаратор 3, одновибратор 4, интегратор со сбросом 5, преобразователь частота-напряжение 6, источник напряжения смещения 7 и сумматор 8.
вх
m
вх
m
2
2
3
вх
4
n
4
max
n
max
Удвоитель частоты работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение u=Usinωt с частотой ω=2πf с выхода задающего генератора 1 подается на входы управляемого фазовращателя 2 и компаратора напряжения 3. Компаратор 3 преобразует входное синусоидальное напряжение u=Usinωt в напряжение u прямоугольной формы (фиг. 2). Одновибратор 3 формирует узкие импульсы по фронту напряжения u, которые подаются на вход сброса интегратора со сбросом 5. При этом на вход интегратора со сбросом 5 подается напряжение u отрицательной полярности с выхода преобразователя частота-напряжение 6. Преобразователь частота-напряжение 6 исключает влияние частоты входного сигнала u утроителя на амплитуду выходного напряжения интегратора со сбросом 5 путем изменения величины его входного напряжения u в зависимости от частоты f задающего генератора 1. Коэффициент передачи K=-U/f преобразователя частота-напряжение 6 выбирается таким образом, чтобы при максимальной рабочей частоте f удвоителя, размах входного напряжение интегратора со сбросом 5 не превышал 10 В, т.е. K=10/f.
5
На выходе интегратора со сбросом 5 формируется пилообразное напряжение u положительной полярности с частотой f задающего генератора 1, амплитуда которого определяется по формуле:
4m
где U - амплитуда выходного напряжения интегратора со сбросом 5;
4
T - период входного напряжения u;
4
f - частота входного напряжения u;
R - сопротивление резистора интегратора 5;
С - емкость конденсатора интегратора 5.
Для выбора параметров времязадающих элементов схемы интегратора R и С необходимо выдержать следующее соотношение:
5m
Таким образом, амплитуда выходного пилообразного напряжения интегратора со сбросом 5 всегда постоянна U=10 В и не зависит от частоты f задающего генератора 1.
5
6
см
7
Выходное напряжение u интегратора со сбросом 5 суммируется в сумматоре 8 с напряжением смещения u=U=-5 В от источника напряжения смещения 7, в результате чего на выходе сумматора 8 формируется переменное пилообразное напряжение u амплитудой 5 В. Это напряжение подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 1.
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° с частотой f задающего генератора 1.
вых
В результате на выходе управляемого фазовращателя 1 и на выходе удвоителя частоты, в соответствии с известными тригонометрическими тождествами, формируется выходное напряжение u:
вых
1m
Из полученного выражения и временных диаграмм (фиг. 2) видно, что частота выходного напряжения удвоителя частоты равна 2ω, то есть имеет место удвоение частоты со задающего генератора 1. При этом амплитуда выходного напряжения u умножителя частоты равна амплитуде выходного напряжения задающего генератора 1 U.
Таким образом, применение в удвоителе частоты компаратора 3, одновибратора 4, интегратора со сбросом 5, преобразователя частота-напряжение 6 и сумматора 8 позволяет добиться требуемого технического результата - повышение точности утроителя частоты.
При практической реализации предлагаемого утроителя частоты управляемый фазовращатель 2 можно выполнить по схеме (Патент на изобретение №2303326 РФ. Широкополосный фазовращатель с управляемым углом фазы, МПК Н03В 7/12, Н03Н 11/16, опубл. 10.09.2006 г.). Компаратор 3 можно выполнить на микросхеме К554СА3. 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). В качестве преобразователя частота-напряжение 6 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1. Источник напряжения смещения 7 представляет собой обычный источник стабильного напряжения. Сумматор 8 представляет собой неинвертирующий сумматор на ОУ.