Умножение частоты с помощью фапч: переходная характеристика и синтез частот

Текст

Опубликовано 05.12,79 Бюллетень М 45 но делам нзабретеннй н отнрытнй(54) УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ 1Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качест.ве источника напряжения удвоенной частотыв различных преобразовательных устройствах.Известен удвоитель частоты, содержащийвходной трансформатор, два моста, в каждомиз которых два смежных плеча образованыуправляемыми полупроводниковыми вентилями,а два других — соответствующими секциямиполуобмоток вторичной обмотки входноготрансформатора. Причем общие точки соедине 16ния вентилей подключены к одному выходномузажиму, а точка соединения полуобмотокк другому 1,Однако такое устройство имеет низкий КПЙ,15Этот недостаток устраняется в другихустройствах, например в удвоителе частоты,являющемся прототипом данного изобретенияи содержащем два неполных диодных моста,в диагональ которых включены конденсаторы,и нагрузку. Мосты подключены к источникутрехфазного напряжения и включены междужбой встречно последовательно, а между замкнутыми вершинами их включен дополнительный диод 2Однако такие удвоители частоты имеют ма.лую надежность работы, а дополнительноерезервирование усложняет схему и повышаетее стоимость,Целью изобретения является упрощениеудвоителя и повышение»егб надежности,Укаэанная цель достигается тем, что вудвоителе частоты, содержащем неполныйдиодный мост и конденсатор, включенныйв выходную диагональ моста, в выходнуюдиагональ этого неполного диодного мостапараллельно конденсатору включена дополнительно введенная цепочка, состоящая из двухпоследовательно соединенных резисторов, причем общая точка соединения резисторов иобщая точка соединения диодов моста образуют входные выводы,Нэ чертеже представлена схема удвоителячастоты.Удвоитель частоты содержит неполный диодный мост 1,2, в его диагональ включенырезисторы 3 и 4, противоположные концыСоставительТехред О.Ан Л.Устинк йко Редактор В Корректор М. Нож ельдм Заказ 7605/5 1 Подписное Тираж 857 ЦНИИПИ Государственного к по делам изобретений и от 13035, Москва, Ж.35, Раушскаямитета СССРрытийнаб., д.4/5 иал ППП «Патент», г. Ужгород,.Проектная,370 47 которых соединены через конденсатор 5 й под. ключены к нагрузке. Другая диагональ образованного диодно-реэисторного моста подсоединена. к источнику напряжения переменного тока,Принцип действия указанного удвоителя частоты заключается в следующем.При питании удвоителя от источника однофазного напряжения полуволны переменного тока последовательно проходят через диоды 1, 2 о и резисторы 3, 4. В результате с конденсатора 5 снимается удвоенная частота выходного сигнапа.Поскольку удвоитель частоты переменного тока представляет собой интегрирующее звено 15 изменение нагрузки, носящей резко выраженный емкостный характер из.за наличия-кон.денсатора 5, не приводит к изменению постоянйой составляющей выходного сигнала. Это повышает надежность работы схемы и ос вобождает от необходимости дополнительного резервирования,1 4 Формула изобретения Удвоитель частоты, содержащий неполный диодный мост,и конденсатор, включенный в выходную диагональ моста, о т л и ч а ющ и й с я тем, что; с целью упрощения и повышения надежности, в выходную диагональ указанного неполного диодного моста параллельно конденсатору включена дополнительно введенная цепочка, состоящая из двух последовательно соединенных резисторов, причем общая точка соединения резисторов и общая точка соединения диодов моста образуют входные выводы

Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1 1. Авторское свидетельство СССРМф 458935, кл

Н 02 М 5/16, 1975. 2. Авторское свидетельство СССРМо 476645, кл.Н 02 М 5/18, 1975.

Смотреть

Вспомогательная информация

• Что такое петля фазовой автоподстройки частоты?
• Как промоделировать работу петли фазовой автоподстройки частоты
• Понятие переходного процесса в системе фазовой автоподстройки частоты
• Как оптимизировать переходной процесс петли ФАПЧ
• Проектирование и моделирование оптимизированной петли фазовой автоподстройки частоты

Статьи из списка вспомогательной информации, я думаю, дают полное представление о проектировании и работы систем ФАПЧ, но им определенно не хватает одного аспекта: они почти ничего не говорят о том, как на самом деле используется ФАПЧ. Единственное «применение», которое мы до сих пор обсуждали, – это создание периодического выходного сигнала, который имеет ту же частоту, что и периодический входной сигнал. Однако это не очень впечатляет, поскольку мы могли бы сделать то же самое с помощью цифрового буфера или повторителя напряжения на операционном усилителе.

Настало время обсудить реальные приложения ФАПЧ, и начнем мы с умножения частоты, которое является естественным и интуитивно понятны расширением способности системы ФАПЧ фиксироваться/синхронизироваться на входной частоте.

Удвоители и учетверители частоты

Удвоители частоты являются простейшими представителями семейство многофазных умножителей с кратностью умножения и, соответственно, с числом фаз N=2.

Две фазы несущей частоты, 0° и 180°, образуются с помощью трансформатора со средней точкой во вторичной обмотке или усилительной транзисторной схемы с расщепленной нагрузкой (в коллекторе и эмиттере), или дифференциального усилителя.

Принципиальная электрическая схема удвоителя частоты но диодах (рис.2), кок видим, ничем не отличается от двухполупериодного выпрямителя , зо исключением того, что нагрузкой в выпрямителе служит накопительная емкость, иначе вырожденный фильтр нижних частот, а в удвоителе, наоборот — фильтр верхних частот.

Очевидно, что двухфазный умножитель частоты — удвоитель — является широкополосным в пределах балансности (двухфазности) примененного фозорасщепителя — трансформатора или активной схемы.

Рис. 2. Схема удвоителя частосты на диодах.

Учетверитель частоты, соответственно, должен иметь в своем составе дво удвоителя, включенных параллельно, и, по крайней мере, один фазовращатель но 360°/4=90° но входе одного из удвоителей.

Дополнительная фазовая инверсия входного сигнала осуществляется, как в случае удвоителя рис.2, трансформаторами или активными транзисторными схемами.

Таким образом, получаем исходный четырехфазный набор сигналов, подобный тому, который формируют в модуляторах с фазовым подавлением нежелательной боковой полосы частот или в смесителях с фазовым подавлением зеркального канала приема. Далее используются либо четыре умножительных диода, либо четыре усилительных каскада на транзисторах, работающих в классе С.

Как?

Всё, что вам нужно, это делитель частоты.

Структурная схема системы ФАПЧ с делителем частоты

Более конкретно, вам необходим делитель частоты в петле обратной связи, чтобы сигнал, подаваемый обратно на фазовый детектор, имел частоту, которая ниже частоты выходного сигнала, генерируемого ГУН.

Вы можете быть несколько озадачены тем, что деление частоты сигнала обратной связи приводит к умножению частоты выходного сигнала, но в этом методе нет ничего нового; фактически, он полностью аналогичен тому, что мы находим в одной из наиболее широко используемых в электронике схем, а именно в неинвертирующем усилителе на операционном усилителе.

Допустим, у вас есть операционный усилитель (ОУ), включенный в схему повторителя напряжения. Выход подключен непосредственно к выводу инвертирующего входа, и в результате операционный усилитель делает всё, что ему нужно, чтобы сделать выходное напряжение равным входному напряжению. Это всё хорошо, но что если мы хотим получить некоторое усиление? Проще говоря, мы просто используем резисторы, чтобы превратить петлю обратной связи в делитель напряжения:

Делитель напряжения в цепи обратной связи

Давайте подумаем о том, что мы здесь делаем. Схема отрицательной обратной связи заставляет операционный усилитель изменять свой выходной сигнал с одной целью: сделать напряжение на инвертирующем входе равным напряжению на неинвертирующем входе. Когда он включен как повторитель напряжения, это означает, что V_вых должно быть равно V_вх.

Но делитель напряжения в цепи обратной связи всё меняет. Теперь напряжение на инвертирующем входе в DIV раз меньше, чем на выходе. Таким образом, чтобы сделать напряжение на инвертирующем входе равным напряжению на неинвертирующем входе, выходное напряжение должно быть в DIV раз больше входного напряжения.

С помощью операционного усилителя мы получаем коэффициент усиления по напряжению, уменьшая амплитуду напряжения обратной связи; с помощью ФАПЧ мы создаем коэффициент увеличения частоты, уменьшая частоту сигнала обратной связи. Чтобы продолжить аналогию, коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на ОУ равен коэффициенту, на который делится напряжение обратной связи, а умножение частоты, выполняемое в системе ФАПЧ, равно коэффициенту, на который делится частота сигнала обратной связи.

Умножитель частоты с ФАПЧ

Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) — это весьма важный и полезный узел, выпускаемый в виде отдельной интегральной схемы многими фирмами — изготовителями.

ФАПЧ содержит фазовый детектор, усилитель и генератор, управляемый напряжением (ГУН), и представляет собой сочетание в одном корпусе аналоговой и цифровой техники.

ФАПЧ применяется для тонального декодирования, демодуляции AM- и ЧМ-сигналов, умножения частот, частотного синтеза и во многих других случаях.

Уже с давнего времени ФАПЧ перестала быть уделом профессионалов. С появлением на рынке микросхем ФАПЧ радиолюбители все больше начинают использовать эти устройства в своих конструкциях.

Практическое применение ФАПЧ становится среди р адиолюбителей — конструкторов модой и в любое радиотехническое изделие пытаются встроить ФАПЧ, хотя в некоторых случаях получается в результате ухудшение характеристик.

Дело в том, что ФАПЧ шумит. Одни микросхемы ФАПЧ шумят меньше, другие — больше, но все равно шумят, потому что возможности создания шума заложены в саму основу ФАПЧ.

Рис. 7. Классическая блок-схема ФАПЧ.

Попробуем разобраться в основах работы ФАПЧ. На рис. 7 показана классическая блок-схема ФАПЧ.

Основные компоненты ФАПЧ: фазовый детектор, НЧ — фильтр, усилитель сигнала и ГУН (Генератор Управляемый Напряжением). При совместной работе эти компоненты создают так называемый «контур регулирования ФАПЧ».

Фазовый детектор — устройство, которое осуществляет сравнение двух входных частот (одна из которых эталонная) и формирует выходной сигнал, пропорциональный их фазовой разности (если, например, частоты различаются, то на выходе появится периодический сигнал на разностной частоте). Если fBx не равна fryH, то на выходе фазового детектора появляется сигнал.

Этот сигнал поступает на НЧ-фильтр, а затем и на усилитель. Отфильтрованный и усиленный сигнал фазовой ошибки будет воздействовать на частоту ГУН, изменяя ее в направлении fBX.

При нормальных условиях ГУН быстро производит «захват» частоты fBX, поддерживая постоянный фазовый сдвиг по отношению к входному сигналу.

Если ФАПЧ используется как умножитель частоты, то между выходом ГУН и фазовым детектором включают делитель частоты на величину п, обеспечивая, таким образом, умножение входной эталонной частоты fBX на величину п.

Самым простым фазовым детектором является цифровой детектор, предствляющий собой элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, схематическое изображение которого показано на рис. 8. На рис. 8,а схематично показано как образуется сигнал на выходе ФД.

На рис

8, в показана зависимость выходного напряжения от разности фаз при использовании фильтра низких частот и прямоугольного входного колебания со скважностью 50%

Фазовый детектор, построенный на элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, всегда генерирует выходное колебание, которое в дальнейшем должно фильтроваться с помощью фильтра контура регулирования.

Таким образом, ФАПЧ с фазовым детектором такого типа содержит контурный фильтр, работающий как фильтр нижних частот, сглаживающий логический выходной сигнал.

В таком контуре всегда присутствует некоторая остаточная пульсация и, следовательно, периодические фазовые изменения. В тех схемах, где ФАПЧ используется для умножения или синтеза частот, к выходному сигналу добавляются еще и «боковые полосы фазовой модуляции». Фазовые изменения и фазовая модуляция вызывают явление, которое мы называем шумом генератора.

Фильтр НЧ состоит, как правило, из R и С элементов. В зависимости от числа элементов и выполняемых функций, фильтры могут быть первого или второго порядка.

Часто используются различные схемы активных НЧ фильтров на транзисторах или операционных усилителях. Положительным свойством таких фильтров является то, что активные фильтры почти не вносят ослабления сигнала.

Рис. 8. Как работает фазовый детектор.

Усилитель. В качестве усилителя можно использовать операционный усилитель типа К140УД7 или другой. Или транзисторные дифференциальные усилители различной сложности.

Генератор, управляемый напряжением является важным компонентом ФАПЧ. Его частотой можно управлять, используя выходной сигнал фазового детектора. Некоторые ИМС ФАПЧ содержат ГУН (например, 564ГГ1).

В принципе, в качестве ГУН годится любой генератор, частотой которого можно управлять посредством варикапа. Зависимость частоты ГУН от управляющего напряжения, используемого в ФАПЧ, может не обладать высокой линейностью, однако в случае большой нелинейности коэффициент усиления в контуре регулирования будет изменяться в соответствии с частотой сигнала и придется обеспечивать больший запас устойчивости.

Схемы двухтактных удвоителей

Требование о необходимости содержания в сигнале гетеродина минимальных шумов, которые зависят от наличия в сигнале большого числа гармоник, поставило задачу уменьшить число этих гармоник.

Выполнить поставленную задачу удается с помощью специальных двухтранзисторных умножителей, в которых эти два транзистора включены по двухтактной схеме. На рис. 3. приведена принципиальная схема двухтактного удвоителя частоты.

Транзисторы на схеме рис. 3 включены по так называемой двухтактной схеме. Дело в том, что на базы этих транзисторов поступают противофазные сигналы и в течение одного из полу-периодов поступающего сигнала работает транзистор VT1, а в течение второго полупериода работает транзистор VT2.

Поскольку эти два транзистора работают на общую для них нагрузку, то в этой нагрузке, за один период частоты поступающего на каскад сигнала, возникают два периода уже новой, удвоенной частоты.

Если поступающий на такой каскад сигнал достаточно сильный, то точно таким же образом на выходе можно выделить и четвертую гармонику поступающего на вход сигнала.

Как вы уже заметили, двухтактный удвоительный каскад выделяет в своей нагрузке только четные гармоники. Все нечетные гармоники подавляются и в последующем сигнале уже не присутствуют.

Рис. 3. Принципиальная схема двухтактного удвоителя частоты.

Сигнал, который должен быть удвоен, выделяется в контуре L1C. Поверх катушки L1 наматывается катушка L2, выполненная из двух отдельных проводов. Делается катушка L2 следующим образом.

Нужно отмерить и отрезать два одинаковых куска изолированного тонкого провода, длина которых должна быть достаточной для намотки поверх катушки L1 3…5 витков, из которых будет состоять катушка L2.

Затем два конца обоих проводов зажимаются и эти два провода свиваются в единый жгут. После намотки катушки L2 получившимся жгутом и закреплении её витков, начало одного из проводов соединяется с концом другого провода.Таким путем образуется средняя точка катушки L2, которая соединяется с корпусом (заземляется).

Оставшиеся конец первого провода и начало провода второго подключаются, через конденсаторы С1 и С2, к базам транзисторов VT1 и VT2. Таким путем организуется противофазная подача сигналов к базам VT1 и VT2.

На рис. 4 приведена принципиальная схема второго варианта двухтактного удвоителя частоты. Схема этого варианта несколько проще и содержит меньшее количество деталей, но работает так же эффективно.

Как вы уже заметили, нагрузка удвоительного каскада, роль которой выполняет контур L3C3, включена в этом варианте последовательно.

В таком случае нужно всегда помнить, что выходные емкости транзисторов складывается и отвод для подключения катушки должен располагаться ближе к заземленному по ВЧ концу катушки.

Рис. 4. Принципиальная схема второго варианта двухтактного удвоителя частоты.

Ток через транзисторы, и вместе с ним, усиление удвоенного сигнала регулируется подбором величины сопротивления R1. Емкость С1 обычно берется в пределах 120…200 пФ.

Зачем?

Всегда хорошо знать, зачем вы хотите что-то сделать, прежде чем делать это. В случае умножения частоты с помощью ФАПЧ мы пытаемся создать выходной сигнал с частотой, равной входной частоте, умноженной на некоторую константу. Это может показаться несколько ненужной задачей – почему бы просто не купить другой компонент генератора, который напрямую обеспечивает нужную частоту? Оказывается, существуют различные ситуации, в которых метод ФАПЧ весьма полезен:

• Система, построенная на основе ФАПЧ и низкочастотного кварца, может снизить стоимость по сравнению с системой, в которой просто используется высокочастотный кварц.
• С помощью ФАПЧ коэффициент умножения может быть изменен без каких-либо модификаций аппаратного обеспечения. Таким образом, с помощью одной схемы генератора может быть получено много разных частот.
• Петля ФАПЧ, встроенная в микропроцессор, может генерировать высокочастотный тактовый сигнал именно там, где он необходим, что устраняет сложности (я имею в виду электромагнитные помехи и возможные отражения), связанные с передачей высокочастотных сигналов через дорожки на печатной плате.
• Свойства частотной синхронизации петли ФАПЧ позволяют генерировать высококачественный (и высокочастотный) периодический сигнал с помощью генератора низкого качества. Для меня это самая важная причина, поскольку она наиболее полно отображает основные функциональные возможности систем ФАПЧ. Я не стал бы ожидать, что независимый ГУН будет генерировать тактовый сигнал с частотой, которой можно точно управлять, и которая очень стабильна во времени и температуре. Однако синхронизирующее действие ФАПЧ позволяет ГУН генерировать точный и стабильный тактовый сигнал: если у вас есть, например, низкочастотный кварцевый генератор с превосходными точностью и стабильностью, система ФАПЧ «унаследует» эти качества (при этом выдавая более высокую частоту) путем синхронизации/привязки к сигналу с кварцевого генератора.

Фазовращатели

Фазовращатели, кок элементы радиосхемотехники недостаточно широко применяются в радиолюбительской практике и поэтому менее известны. Простейший

фазовращатель — это, например, обычная RC цепочка, используемая в качестве переходной между усилительными каскадами.

Так кок емкостной ток всегда сдвинут на 90° относительно приложенного напряжения, то любая RC-цепочка сдвигает фазу ф в пределах 2-го квадранта на фазовой плоскости диаграммы фазовых состояний Q/I (активной/реактивной составляющих полного сопротивления) но величину, зависящую от постоянной времени RC цепочки т. Чем больше величина t=RC, тем ближе ф к 0°.

При R>0 сдвиг фаз только лишь приближается к 90°. Поэтому для получения ф=90° на RC-цепочке с резистором R с конечной величиной сопротивления используют две RC-цепочки с т~45°, включенные последовательно (рис.3,а).

Рис. 3. Схема фазовращателя (а).

Еще один тип фазовращателя использует комбинированную цепочку RCL (рис.3,6). При равенстве реактивных сопротивлений XL=X(~, что соответствует условию последовательного резонанса, сдвиг фаз равен точно 90° вне зависимости от сопротивления резистора R, который в этом случае используется для регулировки амплитуды сигнола в этом плече.

Рис. 3. Схема фазовращателя (б).

Рис. 3. Схема фазовращателя (в).

Известно также, что в простом резонансном контуре с параллельным резонансом при перестройке контура в пределах полосы пропускания по уровню 0,7 от максимального значения амплитуды фазовая характеристике при резонансе изменяется в пределах ±45°, что также используется но практике.

Сдвигают фазу также высокочастотные линии задержки (ЛЗ) типа длинных линий или набора LC цепочек, причем ф=2тіІ0т, где т — задержка ЛЗ.

Последнее соотношение означает, что на каждый 1 МГц частоты на 1 мкс задержки наблюдается задержка фазы на 2ті, т.е. но полный период 360°.

Все приведенные выше фазовращатели по определению относятся к так называемым минимально-фазовым цепям. Они используются в качестве «строительных блоков» при построении более сложных не минимально-фазовых цепей мостового типа.

Для получения регулируемой величины сдвига фаз используется мостовая схема (рис.3,в), в одном плече которой устанавливается конденсатор, а в другом -переменный резистор.

По векторной диаграмме можно показать, что сдвиг фаз при изменении R изменяется в пределах двух квадрантов 0 .180° и может быть точно выставлен но 90° при R=l/2Ttf0C.

Известны также конструкции механически устанавливаемых фазовращателей но всю шкалу 360° на основе сельсинов -электромашин с вращающимися магнитными полями по статору и сигналом переменной фазы, снимаемым с ротора.

Следует отметить, что все типы простых фазовращателей на основе цепей CLR являются частотно-зависимыми, хотя и не столь критичными, кок в случае резонансных цепей.

Для построения базовых частотно-независимых квадратурных цепочек 90° используются более сложные специальные схемы, известные из техники однополосной модуляции как схемы Гильберта.

Принцип — умножение — частота

Схема Жоли.

Принцип умножения частоты заключается в умышленном искажении формы тока или напряжения для получения нужных гармоник высшего порядка.
 

Умножитель частоты па полосконыч линиях.

Второй принцип умножения частоты в транзисторном генераторе основан на использовании нелинейной емкости коллекторного перехода Ско. Здесь с помощью транзистора производится усиление сигнала, а умножение частоты осуществляется по принципу работы варакторного умножителя — за счет нелинейной емкости коллектор — база.
 

Влияние соседних не mn — — an amai.

Кроме описанного в данном параграфе принципа умножения частоты существуют и другие. В частности, при умножении частоты в диапазоне СВЧ широко применяются варакторные умножители, использующее зависимость емкости от амплитуды.
 

Прибор ( рис. 1.65) работает по принципу прямого умножения частоты входного сигнала. Входной сигнал частотой 5 МГц поступает на транзисторный умножитель частоты 5 — 100 МГц, который выдает сигналы с частотами 10 и 100 МГц, Одновременно усиленные сигналы 100 МГц поступают на входы двух СВЧ умножителей частоты. Они представляют собой диодные генераторы гармоник с фильтрами, выделяющими соответственно десятую и сот-ую гармонику частоты 100 МГц. Для лучшего подавления боковых составляющих и обеспечения чистоты спектра выходных сигналов фильтры генераторов гармоник выполнены двухрезонатор-ными со связью, близкой к критической.
 

Блок-схема генератора спектра образцовых частот.

Образцовые частоты УКВ диапазона могут быть получены на основании рассмотренного ранее принципа умножения частоты с той лишь разницей, что вместо электронных ламп в схемах умножения применяются полупроводниковые приборы.
 

Осциллограммы режимов работы электропривода механизма подъема.

В этом случае для питания входного магнитного усилителя применяются однофазные электромагнитные преобразователи частоты, работающие на принципе умножения частоты сети 50 гц или полупроводниковые инверторы, преобразующие постоянное напряжение в переменное напряжение частотой 400 гц.
 

Расширение частотного диапазона цифровых частотомеров, измеряющих непосредственно частоту в сторону более высоких частот ( СВЧ), производится, например, путем вычитания из fx известной частоты / о при помощи смесителя и последующего измерения разностной Чс. Сигнал с требуемой частотой /, обычно получается от встроенного синтезатора частот, работающего по принципу умножения частоты генератора квантующих импульсов при помощи схем ФАПЧ или формирования гармоник при помощи нелинейной цепи с последующей фильтрацией перестраиваемым или переключаемым фильтром.
 

Расширение частотного диапазона цифровых частотомеров, измеряющих непосредственно частоту в сторону более высоких частот ( СВЧ), производится, например, вычитанием из fx известной частоты / 0 при помощи смесителя и последующего измерения разностной частоты. Сигнал с требуемой частотой / 0 обычно получается от встроенного синтезатора частот, работающего по принципу умножения частоты генератора квантующих импульсов при помощи схем ФАПЧ или формирования гармоник при помощи нелинейной цепи с последующей фильтрацией перестраиваемым или переключаемым фильтром.
 

Умножитель частоты 46 — 62 предназначен для умножения частоты синусоидального сигнала 5 МГц до частоты 10 ГГц и одновременной выдачи синусоидальных сигналов частот 10, 100, 1000 и 10 000 МГц. Прибор может использоваться для гетеродирования и для создания декадной сетки образцовых частот. Прибор работает по принципу прямого умножения частоты. Состоит из умножителей частоты диапазонов: 5 — 100 МГц, 100 — 1000 МГц, 1000 — 10000 МГц и блока питания. Входной сигнал 5 МГц с опорного генератора поступает на вход умножителя частоты 5 — 100 МГц с выходами 10 и 100 МГц. После умножения частоты сигнал 100 МГц поступает на входы умножителей частот 1000 МГц и 10 000 МГц с выходов умножителей частот 1000 и 10 000 МГц поступает на переднюю панель приборов. Конструктивно прибор выполнен по блочно-функциональному принципу компоновки в типовом корпусе без футляра.
 

Структурная схема системы СМУ — — Г.

Диодные умножители частоты

Работа диодных умножителей частоты основана на использовании эффекта нелинейной емкости. В качестве последней используется барьерная емкость обратно смещенного р-n-перехода. Полупроводниковые диоды, специально разработанные для умножения частоты, называются варакторами. При =0,5 и =0,5 В для нелинейной емкости варактора получим:

, (2)

где и — обратное напряжение, приложенное к p-n-переходу.

График нелинейной функции (17.2) показан на рис. 17.3.

Рис. 17.3. График нелинейной функции

Заряд, накапливаемый нелинейной емкостью, с напряжением и током связаны зависимостями:

, (3)

Две основные схемы диодных умножителей частоты с варакторами приведены на рис. 17.4.

Рис. 17.4. Диодные умножители частоты с варакторами

В схеме диодного умножителя параллельного вида (рис. 17.4, а) имеются два контура (или фильтра) последовательного типа, настроенные в резонанс соответственно с частотой входного  и выходного n сигналов. Такие контуры имеют малое сопротивление на резонансной частоте и большое — на всех остальных (рис. 17.5).

Рис. 17.5.Зависимость сопротивления контура от частоты

Поэтому первый контур, настроенный в резонанс с частотой входного сигнала о, пропускает только 1-ю гармонику тока, а второй контур, настроенный в резонанс с частотой выходного сигнала n, — только n-ю гармонику. В результате ток, протекающий через варактор, имеет вид:

, (4)

Поскольку емкость варактора (17.2) есть нелинейная функция, то согласно (17.3) при токе (17.4) напряжение на варакторе отлично от синусоидальной формы и содержит гармоники.

Одна из этих гармоник, на которую настроен второй контур, проходит в нагрузку.

Таким образом, с помощью нелинейной емкости в устройстве происходит преобразование мощности сигнала с частотой  в сигнал с частотой n, т.е. умножение частоты.

Аналогичным образом работает вторая схема умножителя частоты последовательного вида (рис. 17.4, б), в которой имеется два контура (или фильтра) параллельного типа, настроенные в резонанс соответственно с частотой входного  и выходного n сигналов. Такие контуры имеют большое сопротивление на резонансной частоте и малое — на всех остальных. Поэтому напряжение на первом контуре, настроенном в резонанс с частотой входного сигнала , содержит только 1-ю гармонику, а на втором контуре, настроенном в резонанс с частотой выходного сигнала n, — только n-ю гармонику. В результате напряжение, приложенное к варактору, имеет вид:

, (5)

где U — постоянное напряжение смещения на варакторе.

Поскольку емкость варактора (17.2) есть нелинейная функция, то согласно (17.3) при напряжении (17.5) ток, протекающий через варактор, отличен от синусоидальной формы и содержит гармоники. Одна из этих гармоник, на которую настроен второй контур, проходит в нагрузку. Таким образом, с помощью нелинейной емкости в схеме происходит преобразование мощности сигнала с частотой  в сигнал с частотой n, т.е. умножение частоты.

Варакторные умножители частоты в ДЦВ диапазоне при n=2 и 3 имеют высокий коэффициент преобразования К_пр=P_n/P₁=0,6…0,7. При больших величинах п в СВЧ диапазоне значение К_пр уменьшается до 0,1 и ниже.

Литература

1. Шустов М.А. Регулируемый делитель частоты в целочисленное число раз // Радиолюбитель. – 2018. – № 8. – С. 17–18.
2. Шустов М.А. Регулируемые делители частоты цифровых сигналов на RC-переходных процессах // Радиолюбитель. – 2018. – № 11. – С. 14–15.
3. Шустов М.А. Цифровые формирователи трехфазного напряжения с ШИМ-управлением
4. Шустов М.А. Две простые схемы: Регулируемый умножитель-делитель частоты. Регулируемый цифровой фильтр верхних/нижних частот // Радиоаматор. – 2019. – № 1–2. – С. 25.
5. Shustov M.A., Shustov A.M. Frequency Divider with Adjustable Integer Division Factor // ElektorLabs. – 2019. – V. 45 (493). – № 1. – P. 13.

Возвращение к переходному процессу

Мы уже обсуждали переходной процесс системы ФАПЧ, и, более конкретно, как разработать систему ФАПЧ с необходимым коэффициентом демпфирования (затухания колебаний). На следующем графике приведен пример управляющего напряжения ФАПЧ, которое быстро и плавно устанавливается на конечном значении:

Изменение управляющего напряжения при запуске системы ФАПЧ

На следующем графике показано управляющее напряжение для точно такой же цели, за исключением того, что я добавил в петлю обратной связи счетчик деления на два.

Изменение управляющего напряжения при запуске системы ФАПЧ (в петлю обратной связи добавлен делитель частоты)

Это не выглядит ужасно, но что-то определенно изменилось. Кроме того, управляющее напряжение не достигает стабильного состояния – вы можете видеть периодические изменения на пульсирующей амплитуде.

Если мы увеличим масштаб и посмотрим на входной и выходной сигналы, станет ясно, что у нас есть более серьезная проблема:

Осциллограммы входного и выходного сигналов системы ФАПЧ (в петлю обратной связи добавлен делитель частоты)

Выходная частота (fвых) определенно не в два раза больше входной частоты (f_вх). Проблема здесь в том, что начальный управляющий ток ГУН не достаточно близок к 2f_вх; другими словами, управляющее напряжение не может регулировать частоту ГУН на всём пути до 2f_вх.

Итак, первое, что нам нужно сделать, это удвоить смещение источника тока; это приведет к тому, что начальный управляющий ток достигнет значения, при котором создается f_вых, которая находится вблизи f_вх.

Увеличение смещения управляющего тока ГУН в LTspice

Как показывают следующие два графика, система ФАПЧ теперь работает довольно хорошо. Переходной процесс показывает хорошее демпфирование (затухание колебаний), и f_вых=2f_вх.

Изменение управляющего напряжения при запуске системы ФАПЧ с умножением частоты после изменения смещения управляющего токаОсциллограммы входного и выходного сигналов системы ФАПЧ с умножением частоты после изменения смещения управляющего тока