Умножение частоты. Умножитель частоты (УЧ) Умножитель импульсов на 3 схема

УЧ получили огромное распространение в самых разнообразных видах радиоэлектронной техники. Например в индукционных печах с токами высокой частоты, в радионавигационных и радиолокационных устройствах, в радиосвязе, схемотехнических реализациях подавления помех, кроме того с помощью УЧ можно регулировать скорость электродвигателей.

Появление первых схемотехнических разработок умножителей частоты в истории развития электроники зафиксировано в тридцатых годах прошлого века 7 цикла.

Основной технической характеристикой УЧ является коэффициент умножения частоты N , вычисляемый по формуле как отношение частоты выходного сигнала к входной частоте:

N=f вых /f вх

Характерной особенностью УЧ является постоянство N при изменении (в определенной конечной области) частоты сигнала на входе, а также свойств самого умножителя (резонансных частот колебательных контуров или резонаторов, входящих в состав УЧ), т.е. в нем относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остается величиной постоянной. Это свойство позволяет применять УЧ для кратного увеличения частоты стабильных колебаний в различных измерительных, радиопередающих, радиолокационных, и т.п устройствах; при этом коэффициент умножения частоты N может достигать значений 10 и более единиц.

Основная техническая проблема при разработке УЧ – это снижение фазовой нестабильности входных колебаний (из-за случайного характера изменения их фазы), которая приводит к увеличению относительной нестабильности частоты на выходе умножителя частоты по сравнению с аналогичной величиной на его входе.

Нашли широкое применение на высоких и сверхвысоких частотах. Они характеризуются низким уровнем фазовых и тепловых ишумов, а также достаточно простая конструкция. Сегодня в радиолюбительской практике используются три принципиально отличающихся способа умножения частоты в диодных УЧ:

Варакторное умножение (другими словами умножение на нелинейной емкости);
Удвоение на схеме двухполупериодного выпрямления
Диодное преобразование формы импульсов с последующим выделением необходимой гармоники.

Работа диодных УЧ описывается рядом технических параметров: коэффициент умножения (смотри формулу выше), выходная (P выхN) и входная (P вх) мощности, полоса рабочих частот, КПД (η=P выхN /P вх, или эффективность умножителя или коэффициент передачи по мощности), и т.п.

Основным их рабочим элементом является умножительный (варактор) - разновидность полупроводникового диода, который применяется как нелинейная емкость с низкими потерями. Преобразование частоты осуществляется за счет искажения формы сигнала на нелинейно зависящей от напряжения емкости и последующего выделения необходимой гармонической составляющей. Структурные схемы двух основных типов варакторных умножителей показаны на рисунках ниже:

Эти схемы включают в себя: варактор, источник входного сигнала, нагрузку и фильтры Ф1, Ф2. Последнии необходимы для фильтрации гармоник в нагрузке и источнике входного сигнала, а также для согласования источника и нагрузки. Ф1 настраивается на частоту входного сигнала (это может быть, например, ФНЧ с частотой среза немного превышающей частоту входного сигнала), а Ф2 - на частоту необходимой гармоники (это должен быть достаточно узкополосный ПФ. При таких характеристиках через варактор идет лишь две токовых гармоники.

Мощность сигнала, поступающая на УЧ, частично теряется в варакторе, Ф1 и Ф2. Небольшая доля преобразованной мощности рассеивается в компонентах схемы. Поэтому коэффициент передачи по мощности варакторных УЧ меньше единицы.

Особенность состоит в том, что частота пульсаций выходного напряжения в два раза больше частоты входного напряжения. Это свойство и лежит в принципе работы удвоителя частоты. На рисунке ниже даны две схемы простых удвоителей, базирующихсяна мостовой схеме и на двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой.

В роли трансформаторов на входе и выходе умножителя могут применяться обыкновенные резонансные контуры, но более лучших свойств можно достичь при использовании широкополосных симметрирующих трансформаторов.

1. Введение

2. Обзор методов решения аналогичных задач

3. Выбор обоснования и предварительный расчёт структурной схемы

4. Описание принципа работы структурной схемы

5. Описание схемы электрической и электрический расчёт

6. Расчёт на ЭВМ

7. Заключение

8. Список литературы

9. Перечень элементов к электрической схеме

1. Введение

Умножители частоты, или как их называют в более развернутом виде, системы формирования дискретного множества частот, в настоящее время получили очень широкое распространение в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры.

Индукционные печи с токами высокой частоты, радиосвязные, радионавигационные и радиолокационные системы, схемы подавления помех, системы управления скоростью двигателя – вот далеко не полный перечень областей применения умножителей частоты.

Появление первых разработок умножителей частоты относится к 30-м и 40-м годам XX века.

В электротехнике и электронике умножителем частоты называется радиоэлектронное устройство, предназначенное для увеличения в целое число раз N частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний в заданном диапазоне частот с требуемой стабильностью и качеством выходного сигнала.

Основной параметр – коэффициент умножения частоты N , определяемый как отношение частоты выходного сигнала к частоте входного:

(1.1)

Характерной особенностью умножителей частоты является постоянство N при изменении (в некоторой конечной области) частоты входного сигнала, а также параметров самого умножителя (например, резонансных частот колебательных контуров или резонаторов, входящих в состав умножителя частоты), т.е. в умножителе частоты относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остается постоянной. Это важное свойство позволяет использовать умножители частоты для повышения частоты стабильных колебаний в различных радиопередающих, радиолокационных, измерительных и других установках; при этом N может достигать 10 и более.

Основная проблема при конструировании умножителей частоты – это уменьшение фазовой нестабильности входных колебаний (обусловленной случайным характером изменения их фазы), которая приводит к увеличению относительной нестабильности частоты на выходе по сравнению с соответствующей величиной на входе.

Наиболее распространены умножители частоты, состоящие из нелинейного устройства (например, транзистора, варикапа, катушки с ферритовым сердечником) и одного или нескольких электрических фильтров. Нелинейное устройство изменяет форму входных колебаний, вследствие чего в спектре колебаний на его выходе появляются составляющие с частотами, кратными входной частоте. Эти сложные колебания поступают на вход фильтра, который выделяет составляющую с заданной частотой

, подавляя (не пропуская) остальные. Такие устройства применяются для умножения частоты гармонических колебаний.

Находят применение также умножители частоты, действие которых основано на синхронизации колебаний автогенератора. В таких приборах возбуждаются колебания с частотой

, которая становится в точности равной под действием поступающих на вход колебаний с частотой . Недостатком этих умножителей частоты является сравнительно узкая полоса значений , при которых возможна синхронизация.

Также, в отличие от обычных умножителей частоты умножители на фазовращателях могут обеспечить спектрально чистый, не требующий фильтрации выходной сигнал. Используя для расщепления фазы широкополосные фазово-разностные цепи, можно реализовать частотно-независимые умножители, работающие в диапазоне, который перекрывает множество октав.

В настоящее время выявились следующие основные методы построения умножителей частоты:

– косвенный на базе систем импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ);

– прямой с использованием фильтрующих элементов на поверхностно-акустических волнах;

– цифровой на основе вычислительных процедур.

Необходимо отметить, что умножители частоты с ИФАПЧ относятся к числу чрезвычайно динамичных, развивающихся систем формирования дискретного множества частот. Решающую роль при этом играют такие важнейшие преимущества умножителей частоты и ИФАПЧ, как возможность реализации высококачественных спектральных и приемлемых динамических характеристик при хороших габаритных, энергетических и других показателях.

2. Обзор методов решения аналогичных задач

Рассмотрим некоторые схемы и методы построения умножителей частоты. Процесс умножения частоты на нелинейном элементе сводится к следующему: входной сигнал воздействует на нелинейный элемент или на нелинейный резонатор, в результате чего синусоидальное колебание превращается в периодическое несинусоидальное, которому соответствует бесконечный ряд синусоидальных составляющих. Затем резонатор выделяет ту составляющую, на которую он настроен, в результате чего на выходе выделенная гармоника преобладает над всеми остальными.

Величины побочных гармоник определяется добротностью резонатора, и для того, чтобы их уменьшить, необходимо увеличивать добротность резонаторов. Однако величина добротности резонаторов особенно на длинных и коротких волнах ограничена, и в этом случае для ослабления побочных гармоник применяют специальные фильтры или различные буферные каскады.

Основным показателем умножителя частоты на пассивном нелинейном элементе является коэффициент полезного действия η, под которым понимается отношение мощности N-ой гармоники в нагрузке

к мощности, потребляемой от возбудителя:

Столь малые значения к.п.д. обусловлены тем, что из-за выпрямительных свойств нелинейного активного сопротивления большая часть мощности возбудителя преобразуется в мощность постоянного тока и выделяется в цепи смещения.

Если для цепей умножения частоты применять нелинейное реактивное сопротивление, то из-за отсутствия в таком нелинейном элементе потерь мощности при идеальной фильтрации во входной и выходной цепях к.п.д. умножителя будет равен.

В качестве нелинейного реактивного сопротивления в умножителях частоты обычно используют нелинейную ёмкость p -n перехода.

Рисунок 2.1 . Структурная схема умножителя частоты на нелинейном элементе. 1 – фильтр, настроенный на гармонику, близкую к первой; n – фильтр, настроенный на n-ую гармонику.

Принцип работы умножителей на фазовращателях показан на рис.2.2. Частота синусоидального сигнала умножается на N путем разделения входного напряжения на N различных фаз, равноудаленных друг от друга в диапазоне 360°. N сигналов с различными фазами управляют N транзисторами, работающими в режиме класса С, выходные сигналы которых объединяются для формирования импульса через каждые 360°/N градусов. Благодаря использованию N транзисторов мощность входного сигнала может быть в N раз выше мощности, необходимой для насыщения транзистора.

Рисунок 2.2 . Структурная схема умножителя частоты на фазовращателях.

Схема простого умножителя частоты с переменным коэффициентом умножения и жесткой синхронизацией выходных сигналов по отношению к входным приведена на рис. 2.3. Он состоит из генератора импульсов на трех инверторах DD1.1-DD1.3 и синхронизирующего каскада на транзисторе VT1.

Когда входные синхроимпульсы отсутствуют, мультивибратор на DD1.1-DD1.3 работает в обычном режиме. Если в генераторе использована микросхема с двумя защитными диодами на входе, длительность перезарядки конденсатора C1 для любой полярности одинакова и период импульсов составит 1,4 R3 C1, а частота f - 0,7/(R3 C1).

При поступлении на вход VT1 положительных импульсов частоты F вх (рис. 2.3) транзистор в моменты t 1 ,t 3 открывается, что приводит к срыву процесса периодической перезарядки. После закрывания его с момента t 2 , t 4 процесс генерации возобновляется.Генератор формирует импульсы, синхронные по отношению к входным с частотой

F вых = kF вх, (2.3)

Рисунок 2.3 . Принципиальная схема умножителя частоты с жёсткой синхронизацией.

где k - переменный коэффициент умножения,определяемый элементами R3, C1, а F вх - частота входных импульсов.

В качестве элементов DD1 можно использовать любые инверторы микросхем серий К176, К561, КР1561. Кроме того, элементы DD1.1, DD1.2 могут быть без инверсии (буферы) или с гистерезисом (триггеры Шмитта).Транзистор серии КТ315 допустимо заменить другим аналогичным.

Это устройство при подаче на вход импульсов строчной частоты телевизионной развертки позволяет выделять строго определенные участки строки растра для формирования или считывания информации.

Так же умножитель частоты можно спроектировать на резонансном усилительном каскаде. Резонансным называется усилитель, нагрузкой которого служит резонансный контур, настроенный на частоту усиливаемого сигнала. Для настройки в контуре используется переменное реактивное сопротивление. Резонансные усилители являются избирательными высокочастотными усилителями. В радиотехнике они предназначаются для выделения из действующих на входе сигналов с разными частотами лишь группы сигналов с близкими частотами, которые несут нужную информацию. К резонансным усилителям предъявляются требования возможно большего усиления, высокой избирательности и стабильности, малого уровня шумов, удобства управления и др.

1. Введение

2. Обзор методов решения аналогичных задач

3. Выбор обоснования и предварительный расчёт структурной схемы

4. Описание принципа работы структурной схемы

5. Описание схемы электрической и электрический расчёт

6. Расчёт на ЭВМ

7. Заключение

8. Список литературы

9. Перечень элементов к электрической схеме

1. Введение

Появление первых разработок умножителей частоты относится к 30-м и 40-м годам XX века.

Находят применение также умножители частоты, действие которых основано на синхронизации колебаний автогенератора. В таких приборах возбуждаются колебания с частотой , которая становится в точности равной под действием поступающих на вход колебаний с частотой . Недостатком этих умножителей частоты является сравнительно узкая полоса значений , при которых возможна синхронизация.

В настоящее время выявились следующие основные методы построения умножителей частоты:

– косвенный на базе систем импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ);

– прямой с использованием фильтрующих элементов на поверхностно-акустических волнах;

– цифровой на основе вычислительных процедур.

2. Обзор методов решения аналогичных задач

Рисунок 2.2 . Структурная схема умножителя частоты на фазовращателях.

F вых = kF вх, (2.3)

Рисунок 2.3 . Принципиальная схема умножителя частоты с жёсткой синхронизацией.

где k - переменный коэффициент умножения,определяемый элементами R3, C1, а F вх - частота входных импульсов.

В резонансных усилителях транзистор можно включить с ОЭ, ОБ и ОК. В большинстве случаев используется схема с оэ, обеспечивающая максимальное усиление по мощности с малым уровнем шумов. В ряде случаев на достаточно высоких для выбранного транзистора частотах используется схема с ОБ. Колебательный контур в усилитель можно включить по автотрансформаторной, двойной автотрансформаторной, трансформаторной и емкостной схемам.

Рисунок 2.4 . Принципиальная схема умножителя частоты на резонансном усилительном каскаде.

3. Выбор обоснования и предварительный расчёт структурной схемы

Задача обеспечения стабильной работы транзисторного умножителя, как правило, решается более сложно, чем для усилителя, поскольку состав высших гармоник в импульсе тока изменяется более существенно, чем амплитуда первой гармоники. Высокая стабильность возможна в схемах, в которых используется отрицательная обратная связь. Создание источника с большим внутренним сопротивлением в умножителях затруднено, так как для фильтрации побочных гармонических составляющих в них обычно используются параллельные колебательные контуры высокой добротности. Такой контур для высших гармонических составляющих входного тока имеет практически нулевое сопротивление и поэтому может рассматриваться как источник гармонического сигнала с нулевым внутренним сопротивлением, что соответствует заданию моего курсового проекта.

Гармоническая форма напряжения может быть в принципе заметно искажена из-за шунтирующего действия нелинейного входа транзистора. Однако при малых мощностях, при которых обычно работает умножитель, входные сопротивления транзистора достаточно велики, чтобы этот эффект не проявлялся.

Структурная схема умножителя частоты представлена на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 – структурная схема умножителя частоты

Слабый входной сигнал усиливается с помощью каскадов предварительного усиления. Их число зависит от уровней как входного сигнала, так и сигнала, который требуется получить на выходе многокаскадного усилителя.

Усиленный предварительными каскадами сигнал подаётся на резонансный каскад, который, работая в режиме сильных сигналов, усиливает и фильтрует третью гармонику гармонического сигнала, подаваемого на вход. Тем самым происходит умножение входной синусойды с коэффициентом умножения N = 3. Выходной каскад предназначен для усиления преобразованного сигнала и передачи его с заданной мощностью на нагрузку. Для лучшей фильтрации побочных составляющих спектра выходного можно подключить резонансный LC-фильтр перед нагрузкой.

Определим максимальный ток протекающий через нагрузку:

(3.1)

Исходя из данных:

(3.2)

Тогда ориентировочное количество каскадов предварительного усиления по следующей формуле:

(3.3)

Для нашего проекта достаточно буде двух каскадов усиления – предварительного и резонансного. Ориентировочный коэффициент усиления для каждого каскада :

Для расчёта резонансного и предварительного усилительного каскада выберем транзистор ГТ309, который удовлетворяет предъявленным требованиям по частоте и выходной мощности. Параметры транзистора:

– предельная частота

Коэффициент усиления по току

Ом – сопротивление базы

- ток насыщения

Импульс тока каоллектора

Мощность рассеяния

4. Описание принципа работы структурной схемы

Т.к. по условию поставленной задачи генератор входного сигнала отсутствует, а на вход усилителя непосредственно подаётся синусойда заданной частоты и амплитуды, то входное устройство может отсутствовать в разрабатываемой структурной схеме.

Схемная реализация каскада предварительного усиления представлена на рисунке 4.1. Это схема усилителя на биполярном транзисторе включенном по схеме с общим эмиттером. Я выбрал эту схему так как у нее сравнительно большие коэффициенты усиления по напряжению и по току, а также большое входное сопротивление. Недостаток этой схемы – сдвиг фаз между входным и выходным сигналом равен 180° но в поставленной задаче не указывается обязательное сохранение фазы на выходе, так что этим недостатком можно пренебречь.

Основными элементами схемы являются источник питания, управляемый элемент - транзистор и резистор . Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы , являются разделительными.

Конденсатор исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи → → и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника напряжения на базе в режиме покоя. Функция конденсатора сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Рисунок 4.1 – принципиальная схема усилительного каскада с общим эммитером

Резисторы и используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае ток) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя. Резистор предназначен для создания цепи протекания тока. Совместно с резистор обеспечивает исходное напряжение на базе относительно зажима ”+” источника питания.

Резистор является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора , напряжения и коэффициента β. Температурная нестабильность указанных параметров приводит к прямой зависимости тока от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока, его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление отрицательной обратной связи и ее стабилизирующего действия на ток нетрудно показать непосредственно на схеме рис. 2. Предположим, что под влиянием температуры ток увеличился. Это отражается на увеличении тока, повышении напряжения и соответственно снижении напряжения. Ток базы уменьшается, вызывая уменьшение тока, чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока. Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором , проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока, а, следовательно, и напряжения.

Конденсатор шунтирует резистор по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепи каскада.

Резонансным называется усилитель, нагрузкой которого служит резонансный контур, настроенный на частоту усиливаемого сигнала. Для настройки в контуре используется переменное реактивное сопротивление. Резонансные усилители являются избирательными высокочастотными усилителями. В радиотехнике они предназначаются для выделения из действующих на входе сигналов с разными частотами лишь группы сигналов с близкими частотами, которые несут нужную информацию. К резонансным усилителям предъявляются требования возможно большего усиления, высокой избирательности и стабильности, малого уровня шумов, удобства управления и др.

В резонансных усилителях транзистор можно включить с ОЭ, ОБ и ОК. В нашем случае используется схема с ОЭ, обеспечивающая максимальное усиление по мощности с малым уровнем шумов. Колебательный контур в усилитель можно включить по автотрансформаторной, двойной автотрансформаторной, трансформаторной и емкостной схемам. Неполное включение контура в коллекторную цепь и к нагрузке позволяет избежать чрезмерного ухудшения добротности контура (особенно когда нагрузкой служит малое входное сопротивление транзистора).

Рисунок 4.2 – принципиальная схема резонансного усилительного каскада

5. Описание схемы электрической и электрический расчёт

Прежде всего рассчитаем резонансный каскад.

Исходные данные:

Коэффициент умножения

Чтобы обеспечить запас стабильности на погрешность расчёта, зададимся нестабильностью тока 3-й гармоники 𝛿I = 10% . Из графика рис. 5.1 при выбранном управляющем напряжении такая стабильность обеспечивается при

0,4 ≤ cosλ ≤ 0,6 (5.2)

Где λ – угол закрывания

Рисунок 5.1 – График зависимости отношения гармоник, нестабильности тока и коэффициента Берга от угла закрывания для утроителя частоты

Учтём предельно допустимые параметры транзистора:

Где - напряжённость коллектора

Величина напряжения источника питания

Из графика рис. 5.1:

> 0,4 (5.10)

Тогда окончательно зададим угол закрывания:

Рассчитаем сопротивление обратной связи:

Из рис. 5.3 для низкочастотного приближения (выберем ωτ=1, т.к. в рабочих режимах постоянная составляющая мало зависит от частоты и и при выбранном значении ωτ=1 ошибка не превышает 10%) при 0,55. Выберем .

Рисунок 5.3 – зависимость коэффициента от

МГц минимальное значение рабочей частоты.

Исходя из этого, рассчитаем разделительные ёмкости:

Рабочая частота:

Определим входное сопротивление каскада:

– относительная расстройка (6.3)

Заключение

В нашей курсовой работе мы рассчитали умножитель частоты с коэффициентом умножения, равным 3 и с входным сигналом

Полученная схема состоит из двух усилительных каскадов с коэффициентами умножения 25 и 42,6 и полосового фильтра на выходе с добротностью 20.

Проанализировав амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики, я могу сделать вывод, что полученный прибор соответствует заданным условиям проектирования и может быть использован в инженерно-технических целях.

8. Литература

1.Валитов Р.А. - радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах.

2. Лейк-Сан-Маркос - Умножитель частоты на фазовращателях.

3. И. Забелин - Журнал "Радио",8 номер, 1999г.

4. Л.Н. Бочаров - Расчет электронных устройств.

5. И.И. Четвертков - справочник резисторов.

6. М.Н. Дьяконов – справочник по электрическим конденсаторам.

7. В.Г. Басов - курсовое проектирование.

8. В.Г. Басов – конспект лекций.

Умножение частоты заключается в получении на выходе устройства колебания, частота которого в целое число раз больше частоты входного сигнала. На вход умножителя частоты обычно подается синусоидальное напряжение на выходе получают колебание с частотой Поскольку в умножителе частоты создается спектральная компонента, отсутствующая во входном сигнале, в нем должны быть применены элементы, в которых возможно образование новых спектральных составляющих (нелинейные, параметрические); построить умножитель частоты на основе линейных элементов невозможно. В настоящем параграфе рассматриваются умножители частоты на управляемых нелинейных элементах.

На рис. 3.13 изображена принципиальная схема транзисторного умножителя частоты. При входном сигнале протекающий в выходной цепи ток оказывается несинусоидальным,

содержащим компоненту частоты и гармоники. Ставя в эту цепь достаточно добротный контур, настроенный на частоту гармоники, получим на нем почти синусоидальное напряжение частоты Обычно на вход умножителя частоты подают колебания большой амплитуды, что позволяет использовать в расчетах кусочнолинейную аппроксимацию и метод угла отсечки. Для получения большей амплитуды выходного напряжения выбирают оптимальный угол отсечки. С увеличением коэффициента умножения величина бопт уменьшается, также уменьшаются наибольшие значения коэффициентов гармоник и амплитуды полезных гармоник По этой причине подобные умножители используются лишь для умножения в 2-3 раза.

Для умножения частоты в большое число раз используется иной подход: с помощью нелинейного устройства входной гармонический сигнал периода преобразуется в последовательность коротких видеоимпульсов прямоугольной формы длительностью той же частоты с последующим выделением гармоники с помощью фильтра. Спектры прямоугольных импульсов для двух значений приведены на рис. 3.14. Чем меньше тем меньше амплитуды первых гармоник и тем медленнее убывают их величины с ростом

Используя импульсы с малыми удается осуществлять умножение частоты в десятки раз. На рис. 3.15 приведена схема такого умножителя частоты, основанного на использовании трансформатора с почти прямоугольной характеристикой намагничивания сердечника (рис. 3.16а). Процесс образования коротких импульсов ЭДС во вторичной обмотке трансформатора, пропорциональных в результате протекания тока через первичную обмотку поясняют рис. 3.16 б-г. Ток во вторичной обмотке трансформатора подобен (рис. 3.16г). Контур обеспечивает выделение нужной гармоники. Для получения однополярных импульсов 12 достаточно дополнить внешнюю цепь диодом (пунктир на рис. 3.15). Недостатками Данного способа умножения частоты являются, во-первых, малый

Более эффективными, но и более сложными умножителями частоты большой кратности являются радиоимпульсные умножители частоты, в которых полезная гармоника выделяется фильтром из последовательности радиоимпульсов, получающихся в результате осуществления амплитудной манипуляции несущего колебания частоты видеоимпульсами частоты входного сигнала (рис. 3.17а). В общем случае, когда частота не кратна частоте начальные фазы колебаний внутри каждого импульса оказываются разными; поэтому получающееся колебание не является периодическим. Однако, если обеспечить постоянство начальных фаз колебаний частоты внутри каждого импульса, процесс окажется периодическим с частотой В таком режиме и работают радиоимпульсные умножители частоты.

Спектр колебания отличается от спектра огибающей сдвигом последнего на частоту на этой частоте огибающая спектра прямоугольных радиоимпульсов максимальна (см. рис. 1.16 г и д). При радиоимпульсном умножении частоты изменение смещает огибающую спектра, но не влияет на частоты спектральных компонентов, остающихся кратными частоте Следовательно, для того чтобы полезная гармоника была наибольшей,

нужно выбирать При данном способе умножения частоты удается получать большие до 50-100.

Умножение частоты это процесс получения колебаний с частотой кратной частоте исходного колебания.

Умножение частоты применяется в случае, если по каким либо причинам невозможно получить колебание с требуемой частотой (на частотах нескольких сотен мегагерц и выше) или при необходимости получить частоту колебаний с точностью кратную определенной частоте.

Умножение частоты может осуществляться тремя методами:

метод угла отсечки;
метод получения частот с помощью периодической последовательности импульсов (ППИ);
метод получения кратных частот с помощью радиоимпульса.

Метод угла отсечки

Данный метод используется для получения гармонического колебания с кратной частотой из другого гармонического колебания. Для получения колебания с требуемой частотой необходимо трансформировать спектр входного сигнала (внести в спектр новые гармонические составляющие). Для трансформации спектра используется нелинейный элемент, работающий в режиме отсечки. Для этого положение рабочей точки задается, с помощью напряжения смещения U 0 , за пределами вольт-амперной характеристики элемента (рисунок 26). В этом случае элемент открывается лишь в момент, когда напряжение входного сигнала Uвх достигает определенного начального значения Uн. Когда Uвхуглом отсечки (q), который равен половине той части периода входного колебания, в течении которой через нелинейный элемент протекает ток, или, другими словами, равен половине длительности импульса. При q=0 напряжение на выходе элемента отсутствует, т. к. элемент все время закрыт. При q=180° элемент работает без отсечки и на выходе наблюдается гармоническое колебание, причем в спектре этого колебания будет присутствовать постоянная составляющая.

Рисунок26 - К пояснению режима работы нелинейного элемента при умножении частоты

Угол отсечки может быть определен из выражения

cos ? = (U н — U 0 )/ Um (36)

где Um — амплитуда входного колебания.

Амплитуда импульсов выходного тока определяется выражением

Im = S ср ? Um (1 — cos q ) (37)

В спектре полученной периодической последовательности содержится множество составляющих расположенных на частотах кратных частоте входного сигнала. Амплитуда этих составляющих определяется выражением

Im k = a k (q ) ? Im (38)

где Im k — амплитуда k-ой составляющей спектра отклика;

a k (q) — коэффициент пропорциональности для k-ой составляющей спектра;

Im — амплитуда импульсов выходного тока.

Коэффициенты a k (q) зависят от угла отсечки и определяются по функциям Берга. Графики функций Берга для постоянной составляющей и трех первых гармоник представлены на рисунке 27.

Рисунок 27 - Графики функций Берга

Для определения коэффициентов необходимо определить значения a k для всех функций при требуемом угле отсечки q. Например, необходимо определить коэффициенты пропорциональности для q=80°. По графику a 0 определяем коэффициент пропорциональности для постоянной составляющей при значении q=80°. Он равен a 0 (80°)»0,28. Аналогично определяем значение коэффициентов a 1 (80°)»0,47 (по функции a 1), a 2 (80°)»0,24 (по функции a 2)? a 3 (80°)»0,05 (по функции a 3).

При умножении частоты необходимо получить колебание с требуемой частотой как можно большей амплитуды. Это возможно при максимальных значениях a k (q). В свою очередь максимум a k (q) наблюдается в точках максимума соответствующих функций Берга. Каждая функция имеет максимум при одном определенном угле отсечки. Угол отсечки, при котором наблюдается наибольшая амплитуда требуемой гармоники, называется оптимальным углом отсечки . Так оптимальным углом отсечки для второй гармоники является q=60°, а для третьей q=40°. Оптимальный угол отсечки задается напряжением смещения U 0 .

Данный метод позволяет получить колебания с кратностью 2 и 3. Это объясняется тем, что амплитуды гармонических составляющих, в спектре отклика, с большими номерами имеют слишком малую амплитуду. Задание требуемого оптимального угла отсечки для этих составляющих приведет к уменьшению амплитуды импульсов выходного тока и опять таки к получению колебаний с очень малой амплитудой.

Принципиальная схема умножителя частоты реализующего метод угла отсечки приведена на рисунке 28.

Рисунок 28 - Принципиальная электрическая схема умножителя частоты на транзисторе

В этом умножителе в качестве нелинейного элемента используется биполярный транзистор VT1, работающий в режиме отсечки коллекторного тока. На транзистор подается напряжение питания Ек и напряжение смещения U 0 . Входное напряжение поступает через колебательный контур L1 C1. Колебательный контур используется для получения большей стабильности частоты входного колебания, т. е. чтобы на вход транзистора поступало колебание содержащее только одну гармонику на требуемой частоте, и тем самым исключить искажение получаемого колебания. Транзистор трансформирует спектр колебания. Затем гармоника с требуемой частотой выделяется колебательным контуром L2 C2, используемым в качестве полосового фильтра.

Характеристикой умножителя частоты является коэффициент умножения, показывающий во сколько раз частота выходного колебания превышает частоту входного колебания

Ку= fвых/ fвх (39)

Как отмечалось выше коэффициент умножения данного умножителя не превышает 3. Для получения Ку>3 необходимо использовать многокаскадные схемы умножителя (последовательное включение нескольких умножителей). Например для получения Ку=6 необходимо последовательно включить два умножителя с Ку=2 и Ку=3.

Методы умножения частоты с помощью ППИ и радиоимпульса

Метод получения кратных частот с помощью ППИ основан на том, что в спектре периодической последовательности уже имеются гармонические составляющие на кратных частотах сигнала, т. е. кратных первой гармонике (рисунок 29). Поэтому из спектра необходимо только выделить гармонику с требуемой частотой. Для получения колебания с большей амплитудой, необходимо выделять гармонические составляющие первого лепестка спектра, причем амплитуда составляющих уменьшается меньше, если количество составляющих в лепестке больше. Таким образом, для умножения частоты используются периодические последовательности со скважностью более 14.

Данный метод позволяет увеличить частоту колебания в десятки раз.

Метод получения кратных частот с помощью радиоимпульса заключается в перемножении исходного колебания с другим высокочастотным гармоническим колебанием, т. е. осуществляется модуляция гармонической несущей импульсным колебанием. В этом случае спектр импульсного колебания переносится в область частот гармонического колебания, в результате чего формируется радиоимпульс. Затем из спектра полученного радиоимпульса выделяют гармонику с требуемой частотой. Данный метод позволяет получить колебание с частотой в сотни раз превышающее частоту исходного колебания.

Рисунок 29 - Умножение частоты с помощью ППИ: а) исходная ППИ c частотой fs и скважностью 17; б) спектр ППИ; в) полученное колебание с частотой 10fs