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.
Недостаток данного устройства в том, 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.
Недостатком данного утроителя частоты является невысокая точность, обусловленная большим количеством операционных блоков. Кроме того, возведение полезного сигнала в куб вносит дополнительную погрешность и сужает динамический диапазон входного сигнала.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности утроителя частоты.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный утроитель частоты, содержащий компаратор и перемножитель, дополнительно введены управляемый фазовращатель, интегратор, преобразователь частота-напряжение и переключатель полярности, причем вход утроителя частоты соединен с входом управляемого фазовращателя и входом компаратора, выход которого соединен с первым входом перемножителя, выход которого соединен с входом интегратора, выход которого через переключатель полярности соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, выход которого соединен с выходом утроителя частоты, а выход компаратора соединен с управляющим входом переключателя полярности и через преобразователь частота-напряжение со вторым входом перемножителя.
Существенными отличиями предлагаемого утроителя частоты являются введение управляемого фазовращателя, интегратора, преобразователя частота-напряжение и переключателя полярности. 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  и угла сдвига фазы ϕ.
Утроитель частоты (фиг. 1) содержит управляемый фазовращатель 1, компаратор 2, перемножитель 3, интегратор 4, преобразователь частота-напряжение 5 и переключатель полярности 6.
2
Утроитель частоты работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение  с частотой  подается на входы управляемого фазовращателя 1 и компаратора напряжения 2. Компаратор 2 преобразует входное синусоидальное напряжение  в переменное напряжение u прямоугольной формы фиксированной амплитуды 5 В (фиг. 2), которое поступает на первый вход перемножителя 3. При этом на второй вход перемножителя 3 поступает напряжение с выхода преобразователя частота-напряжение 5, пропорциональное частоте входного сигнала  При этом коэффициент передачи  преобразователя частота-напряжение 5 выбирается таким образом, чтобы при максимальной рабочей частоте  утроителя, максимальное напряжение на втором входе перемножителя не превышал 10 В, т.е.
В результате перемножения этих напряжений в перемножителе 3, на входе интегратора 4 формируется прямоугольное напряжение, амплитуда которого  пропорциональна текущей частоте
где  - коэффициент передачи преобразователя частота-напряжение 5;
- коэффициент передачи перемножителя 3;
- амплитуда выходного напряжения компаратора.
2
Интегратор 4 преобразует его входное напряжение u прямоугольной формы в переменное напряжение треугольной формы, амплитуда которого определяется выражением;
где  - период входного сигнала утроителя.
4
Так как амплитуда входного напряжения  интегратора пропорциональна частоте  то выходное напряжение u интегратора треугольной формы, имеет стабильную амплитуду  и не зависит от частоты  входного сигнала утроителя частоты.
Отсюда следует, что для выбора параметров времязадающих элементов схемы интегратора 4 R и С необходимо выдержать следующее соотношение:
4
1
1
4
4
Выходное напряжение u интегратора 4 треугольной формы подается на вход переключателя полярности 6, на управляющий вход которого подается напряжение u прямоугольной формы с выхода компаратора 2. Это напряжение приводит к переключению переключателя полярности 6. Причем положительная полярность напряжение u приводит к изменению полярности выходного напряжения u интегратора 4 на противоположную, а отрицательная полярность - не изменяет полярность напряжения u. Коэффициент передачи переключателя полярности 6 выбран, равным единице, поэтому в первый полупериод он работает как инвертор, а во второй - как повторитель (фиг. 2).
5m
В результате на выходе переключателя полярности 6 формируется переменное пилообразное напряжение амплитудой равной U=5 В и удвоенной частотой  Это напряжение подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 1 (фиг. 2).
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  его входного сигнала от -180° до +180° с двухкратной частотой
вых
В результате на выходе управляемого фазовращателя 1 и на выходе утроителя частоты, в соответствии с известными тригонометрическими тождествами, формируется выходное напряжение U:
Из полученного выражения и временных диаграмм (фиг. 2) видно, что частота выходного напряжения утроителя равна 3ω, то есть имеет место утроение частоты ω входного сигнала.
Таким образом, применение в утроителе частоты управляемого фазовращателя, интегратора, преобразователя частота-напряжение и переключателя полярности позволяет добиться требуемого технического результата - повышение точности утроителя частоты.
При практической реализации предлагаемого утроителя частоты управляемый фазовращатель 1 можно выполнить по схеме (Патент на изобретение №32303326 РФ. Широкополосный фазовращатель с управляемым углом фазы, МПК Н03В 7/12, Н03Н 11/16, опубл. 10.09.2006 г.). Компаратор 2 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ) с двусторонним ограничителем напряжения на двух стабилитронах в цепи его обратной связи. Перемножитель 3 можно выполнить на микросхеме КР525ПС3. Интегратор 4 можно выполнить по известной схеме на ОУ с времязадающей RC-цепью. В качестве преобразователя частота-напряжение 5 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1. Переключатель полярности 6 можно выполнить по схеме управляемого усилителя (Патент на ПМ №9168550 РФ, МКП G01R 25/00, опубл. 8.02.2017 г.).