Реферат: Умножитель частоты

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.

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.

Умножители частоты с ИФАПЧ не имеют каких либо принципиальных ограничений с точки зрения выбора частотного диапазона выходного сигнала. Практически может использоваться любой участок частотной оси: от единиц и десяткой герц до гигагерц, при этом используемая в ИФАПЧ система автоподстройки определяет быстродействие устройства.

1 Теоретическая часть

Построение умножителей частоты (УЧ) на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты(ИФАПЧ) обеспечивает стабильную работу устройства при изменении частоты входного сигнала в широких пределах и позволяет повысить точность преобразования сигнала.

ИФАПЧ представляет собой импульсную систему автоматического регулирования с периодической нелинейностью, что предопределяет весьма сложные физические процессы, протекающие в ней. В УЧ из-за наличия ИФАПЧ возникает противоречивая связь между динамическими и спектральными характеристиками и видом периодической нелинейности.

Н
а рисунке 1.1 приведена структурная схема наиболее простого УЧ с ИФАПЧ, который имеет лишь одно кольцо (контур) регулирования и поэ

Рисунок 1.1 Структурная схема УЧ с ИФАПЧ

???? ????? ???????? однокольцевого. ?? ?????? ?? ????? ???????? ?????? (??), ????????? ??????? ???????? ?? ?? ?????????, ??????????? ?? ??????? (??). ?? ????????? ??? ????, ????? ????????, ??? ???????? ?????? ?? ????? ?????????? ?? ?????? ?? ? ????? ???????, ???????????? ??. ?????????? ? ?????? ?? ???????????? ???????? ?? ???? ?????? ???????? ????? (???), ? ??????? ??????? ???????? ??????? ? ?????????? ????????????? ??????? (????). ? ??????? ???? ??????? ?? ?????????? ? ??????????? ??????? N ???. ?????? ?? ?????? ???????? ???????????? ????? ?????????????????? ????????? ? ???????? ?????????? . ??? ? ?? ?????? ??????? ?????????????, ??? ??????????? ??????? ?????? ? ????? ??????? ?????? ???????????????, ?????????? ?????? ??????????????? (?). ? ???????? ?????????????? ? ????? ???????????? ?????????-??????? ???????? (???) ??? ?????????? ????????-??????? ???????? (????). ????????? ????????? ?? ??? ?????????? ?????????? ???? ?. ?? ??????? ???? ?????????????? ???????? ?????????? ?????????????????? ? ???????? ?????????? , ????????????? ?? ?????? ???????? ??????? ? ????????????? ????????????? ??????? (????). ?? ???? ???? ???????????? ?????????????? ?????? . ??????? (??? ? ??????????? ??????? ????) ?????????? частотой сравнения. ????????? ?? ???? ? ????????? ??? ?????????? ?????????????????? ? , ??, ?????? ??????, ?????? ???????? ?? ????????? ???????? ??? ????? ????, ????????? ???? ???? ?? ? ????????????? ????????. ?????????? ????? ????? ???? ???????? ??????? ?????? ?? ???? ? ??? ??? ???? ?????????? ????????. ??????, ???????? ?????????????????? ???????? , ??? ????? ??????????? ?? ????????????? ???????? ?????? ??????? ???????? ??? ????? ?????????? ?????? ???????????????????, ?????? , ??? . ?????????? ???? ????? ???? ? ???????? ??? ?????? ???????? ???????? ? . ? ?????????????? ?????????? ????????? ?????????? ? ??????? (?????????) ??????????????? ????? ?????????? ??????????????????? ? ? ?????????????? ?? ? ???????? ?????? (?????????? ??? ???). ??????????? ??????????? ??????? ?????????????? (??? ?????????? ??????? ??????????????) ?????????????? ???????????? ? ???????????? ?????? ??? ????????? ?????? . ??? ???? ??????????? ?? ??????? ?? ????????? ????????? ?????????? ???????????? ??????? ?? ?????? ?????????????? . ??????? ?????????????? ????????? ? ??? ?????????? ????????? ?? ??????? ????? ????????????? ????????.

Работа дискриминатора типа ИЧФД описывается статической частотной характеристикой . Последняя также относится к стационарному режиму работы Д и представляет собой зависимость усредненной за интервал постоянной составляющей от разности частот .

Выходной сигнал дискриминатора поступает на вход сглаживающего звена – ФНЧ. Сигнал с выхода фильтра используется непосредственно в качестве воздействия , управляющего частотой УГ. От амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик ФНЧ зависят важнейшие характеристики УЧ – динамические (устойчивость и быстродействие) и спектральные. Последовательно включенные Д и ФНЧ образуют канал управления (КУ) системы ИФАПЧ. Информацию о разности фаз входных импульсных последовательностей и можно получить с помощью какого либо параметра выходного сигнала , зависящего от . В разных типах Д этот параметр различен: уровень напряжения , ширина импульсов выходного потока и др. Постоянная (в стационарном режиме) или медленноменяющаяся (в переходном режиме) составляющие этого временного процесса выделяются в ФНЧ, не входящем в дискриминатор.

В первом приближении работа такой схемы происходит следующим образом. Допустим, что система ИФАПЧ находится в стационарном режиме, когда , где – номинальная рабочая частота (одна из дискретного множества). Если при этом коэффициент деления ДПКД равен N, то . В рассмотренном режиме синхронизма и сигнал управления , значение должно быть таким, чтобы скомпенсировать возникшее под воздействием дестабилизирующих факторов частотное рассогласование. Очевидно, что (, где – частота УГ при нулевом управляющем напряжении, т.е. начальная частота колебаний УГ).

Если требуется изменить частоту настройки УГ, то достаточно перейти к новому коэффициенту деления N. Минимальная дискретность в перестройке , т.е. шаг сетки частот , определяется частотой сравнения .

Стационарный режим, при котором частоты , соответствует рабочему режиму работы УЧ. Однако он не является единственно возможным. Во-первых, даже в стационарном режиме возможны изменения частоты УГ под действием дестабилизирующих факторов. Если они, однако, настолько медленны, что систему ИФАПЧ можно все время считать находящейся в синхронизме, то говорят, что имеет место режим синхронизма (удержания). Соответственно вводится в рассмотрение полоса удержания – область отклонений (расстроек) частоты УГ от своего номинального значения, при которых не нарушается имевший место стационарный режим. Во-вторых, существует режим захвата, при котором в системе ИФАПЧ происходят переходные процессы от ее начального асинхронного состояния к установившемуся. Полоса захвата – это область отклонений частоты УГ от своего номинального значения, внутри которой стационарный режим наступает всегда, т.е. при любых начальных условиях.

Известно большое число методов улучшения характеристик однокольцевых УЧ. Эти методы можно разбить на две группы:

основанные на принудительном уменьшении начальной расстройки УГ до значения , при котором ИФАПЧ входит в режим синхронизма;

основанные на расширении полосы захвата вследствие непосредственного изменения характеристик канала управления кольца ИФАПЧ в режиме захвата.

П

Рисунок 1.2 УЧ с предварительной установкой УГ

Рисунок 1.3 УЧ с устройством поиска

????????? ???????, ??????????? ? ?????? ??????, ???????? ??????????????? ????????? ??????? ?? ?????? ?????????? ???????????? ???????? (??????? 1.2). ??? ????? ? ????? ???????? ?????-?????????? ??????????????? (???) ? ?????????? (??). ???? ???????? ??????????? ?? ??????? ?? ??? ?????????????. ??????????????? ????????? ??????? ?? ???????????? ??????? ?? ?????? ???? ????????? ?????????? (??) ?????????? ? ?????? ???. ?????? ????????? ??????? ??, ?.?. ????? ???????????, ?????????????? ????? ???????? ?????.

Развитием последнего является введение системы поиска частоты. При этом установка частоты УГ производится автоматическим выбором управляющего напряжения, при котором в системе ИФАПЧ происходит захват. Для определения момента вхождения системы ИФАПЧ в указанный режим в схему вводится датчик частотного рассогласования (ДЧР) (рисунок 1.3). Штриховыми линиями обозначены другие варианты подключения ДЧР. Для формирования закона изменения управляющего сигнала включается устройство формирования кода (УФК). В простейшем случае в качестве УФК может быть использован реверсивный счетчик, и
зменяющий код управления ЦАП.

М

Рисунок 1.4 УЧ с изменяемым коэффициентом усиления в цепи управления УГ

??????????? ????? ?????? ? ???? ?????? , ??? n ? ??????????? ???.

Расширить полосу захвата ИФАПЧ можно, изменив коэффициент усиления системы. На рисунке 1.4 приведена структурная схема УЧ, в которой для достижения этого эффекта в цепь управления УГ введен регулируемый усилитель (РУ).

2 Обоснование выбора схемы

2.1 Обоснование выбора структурной схемы

Умножители частоты, как правило, не являются функционально самостоятельными устройствами. Они входят в состав приемной, передающей аппаратуры, используются для гетеродирования колебаний, возбуждения усилителей мощности, а также в качестве датчика эталонных частот и др.

Различие требований к УЧ, входящим в состав радиоаппаратуры, а также непрерывное совершенствование схемотехники и элементной базы привели к созданию многочисленных структур УЧ на основе ИФАПЧ. Построение умножителей частоты на основе системы фазовой автоподстройки частоты обеспечивает стабильную работу устройства при изменении частоты входного сигнала в широких пределах и позволяет повысить точность преобразования сигнала.

Н

Рисунок 1.5 Структурная схема УЧ с ИФАПЧ, использованная в проекте

? ??????? 1.5 ???????????? ??????????? ????? ?? ?? ?????. ??? ??????????? ???????? ??????? ?? ??????? ???????? (??) ? ??? ?????????? ????????? ? ??????????????, ?.?. ?????? ??????? ?????? ??? ???????????????, ??? ???? ?? ?????? ???? ????????? ???????? ??????, ? ?? ?????? ???????? ?????????? ?????????????????? ? ???????? ??????????, ????????????? ?? ???????? ??????? (???????? N). ????? ????? ???? ??????? ?????? ?????? (???) ?????? ?????? ??????????????? ????????? ?? ????
????? (???), ??? ?????????? ??? ????????.