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.