Умножители частоты

Умножители частоты (УЧ) предназначены для умножения частоты ЗГ в за­данное число раз. Используется несколько способов построения умножителей частоты:

1) с помощью генератора гармоник и полосовой фильтрации;

2) с помощью «захвата» частоты вспомогательного генератора;

3) с помощью устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), а так­ же их комбинации.

Генератором гармоник (ГГ) называется устройство, искажающее форму и спектр входного синусоидального сигнала таким образом, чтобы в спектре выходного сигнала появились новые гармоники. «Хорошим» ГГ считают такое устройство, которое при подаче на вход сигнала частотой образует на выходе много гармоник исходной составляющей, при­чем мощности этих гармоник примерно равны и достаточны для надежного выделения их с помощью полосовых фильтров (рис. 8.24). Простейшим ГГ яв­ляется усилитель-ограничитель, сигналы на входе и выходе которого показаны на рис. 8.25, а, б. Часто используют ГГ, в котором в качестве нелинейного эле­мента применяется нелинейная индуктивность (рис. 8.26). Для нее характерис­тика намагничивания, т.е. зависимость магнитной индукции В от напряжен­ности магнитного поля Я, имеет вид, показанный на рис. 8.27, а. Изменение индуктивности L от протекающего тока показано на рис. 8.27, б. В схеме ГГ (рис. 7.26) выбирают , поэтому ток через катушку имеет практически синусоидальную форму. Когда значение находится в пределах от до (рис. 8.27, б и рис. 8..28, а), выполняется условие и ток идет через конденсатор С, заряжая его. По мере заряда увеличивается , и при (или при индуктивность катушки резко падает,

Рис. 8.8 Рис. 8.9

Рис. 8.10 Рис. 8.11

теперь. , и конденсатор С начинает разряжаться, так как катушка закорачивает его через ре­зистор . На нагрузке появляются импульсы напряжения (рис. 8.28, б).

В пер­вом приближении этот сигнал можно представить в виде последовательности

двухполярных коротких прямоугольных импульсов (рис. 8.29, а), спектр кото­рой нетрудно рассчитать (рис. 8.29, б). Основной недостаток такой схемы ГГ — отсутствие в спектре четных гармоник. Его можно устранить, введя в схему допол­нительно двухполупериодный выпрямитель (рис. 8.30, а). На выходе выпрямите­ля (точки б—б) имеем однополярные импульсы с периодом, в

два раза меньшим периода основной частоты (рис. 8.30, в

Рис. 8.12 Рис. 8.13

Рис. 8.14

Рис. 8.15

Эти импульсы содержат как четные, так и нечетные гармоники частоты 2ω₀, и, следовательно, только четные гармони­ки частоты ω₀- На выходе а—а (рис. 8.30, б) имеем только нечетные гармоники.

Как следует из рис. 8.30, полосовые фильтры, которые выделяют нечетные гармоники частоты , подключают параллельно (непосредственно или через развязывающие устройства) к выходам а—а, а полосовые фильтры (ПФ) чет­ных гармоник - к выходам б—б ГГ. Такое решение широко применяется в раз­личных типах аналоговых многоканальных систем передачи, при этом, как правило, ПФ выполняются на L С-элементах. Основной недос- таток умножите­ля частоты на основе такого ГГ - недостаточное затухание на выходе полосо­вого фильтра гармоники для соседних составляющих ) -й гармо­ник), что особенно заметно при больших значениях

Исключить данный недостаток позволяет второй способ построения УЧ. путем «захвата» частоты вспомогательного генератора. Эффект захвата частоты заключается в том, что если на автоколебательный генератор, работающий на частоте , подать сигнал с близкой частотой , то генератор «перескакивает» на нее и генерирует эту частоту (рис. 8.31, а). Такое слежение за частотой вход­ного воздействия осуществляется только в пределах достаточно узкой зоны захвата и при сравнительно большом входном напряжении . При невыполнении этих условий частота автогенератора скачком возвра­щается к первоначальному значению .

Схема УЧ, построенная на использовании этого эффекта, показана на рис. 5.31, б. Здесь автогенераторы 4 и 5 настроены соответственно на частоты и , которые близки частотам р-й и к -й гармоник входной частоты При подаче на входы этих генераторов многочастотных колебаний с выходов полосовых фильтров 2 и 3 и при условии, что амплитуды компонентов на частотах являются преобладающими, происходит захват частоты автогенера торов (синхронизация частоты). Каждый из них начинает генерировать частоту захватывающего колебания.

Рис. 8.16

В результате на выходе УЧ получается очень «чис­тый» спектр, который невозможно получить при типовом применении ГГ 1 и полосовых фильтров.

Третий вариант построения ум­ножителя частоты основан на при­менении вспомогательного генерато­ра, синхронизируемого с помощью схемы автоматической подстройки фазы и частоты (типовые сокращенные обозначения ФАПЧ или ФАЛ

Рис. 8.17

Структурная схема УЧ, построенная при помощи такого устройства, показана на рис. 5.32. В установившемся режиме частота вспомогательного генератора 2 точно в раз отличается от час­тоты задающего генератора 1, т.е. , При этом на обоих входах фазового де­тектора (ФД) 4 частоты колебаний с точностью до фазы равны, поскольку дели­тель частоты 3 уменьшает частоту генератора ровно в раз. При «уходе» частоты или от своих номинальных значений на выходе ФД 4 возникает напряжение ошибки , которое можно записать в виде

(8.24)

Это напряжение проходит фильтр нижних частот 5, который пропускает разностные частоты в пределах от 0 до некоторого значения , усиливает­ся в усилителе постоянного тока 6 и поступает на управляемый элемент (обычно варикап) автогенератора 2. При этом изменяется частота этого генератора (он на­зывается «генератор, управляемый напряжением», или ГУН) до тех пор, пока не восстановится равенство '

На практике применяют все три рассмотренных варианта построения ум­ножителей частоты, при этом при малых значениях коэффициента умножения (не более 30) обычно используют более простой первый способ — на основе ГГ с полосовой фильтрацией. При необходимости получения очень больших зна­чений коэффициента умножения обычно применяют третий вариант — на ос­нове ФАПЧ.