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. Умножители частоты.1

Умножители частоты (УЧ) уже давно находят широкое применение в радиотехнике. Первоначально они применялись главным образом в радиопередающих устройствах и содержали один два каскада на электронных лампах. Методика инженерного расчета таких умножителей полностью разработана еще в сороковых годах и содержится в курсах радиопередающих устройств.

Однако в пятидесятых годах интерес к УЧ снова возрос и с тех пор не ослабевает, свидетельством чему является большое число публикаций в периодической печати, а также выход в последнее время ряда книг, посвященных этому вопросу.

Развитие техники умножения частоты шло двумя путями. С одной стороны, это создание новых типов нелинейных элементов (НЭ), служащих для умножения. Так, за последнее десятилетие из стадии лабораторных экспериментов вышли УЧ на транзисторах, на диодах и на варакторах. Значительное развитие получили также УЧ на клистронах, ЛБВ и других специальных приборах СВЧ.

С другой стороны, с освоением СВЧ диапазона и особенно в связи с созданием молекулярных эталонов частоты росла общая кратность умножения многокаскадных УЧ. В настоящее время применяются УЧ, общая кратность умножения которых достигает нескольких десятков тысяч. Такие УЧ являются сложными многокаскадными устройствами. От них требуется достаточная чистота спектра (малый уровень побочных гармоник) и хорошая стабильность фазы выхода сигнала.

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.

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.

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.

Сформулируем основные характеристики УЧ.

Первую группу характеристик, подлежащих расчету, назовем энергетическими. Сюда отнесем величины амплитуд, токов и напряжений основных гармоник, а также разные функции от них, с помощью которых можно рассчитать мощности, потребляемые от возбудителя и источника, а также мощность, отдаваемую в нагрузку.

Важнейшей энергетической характеристикой каскада является его эффективность η. Под эффективностью будем понимать отношение мощности в нагрузке на n-ой гармонике к той мощности, которую может отдавать возбудитель УЧ на основной гармонике. Так, например, если проводимость нагрузки равна G_H , а амплитуда напряжения на ней U_R, то мощность в нагрузке . С другой стороны, если возбудителем является генератор тока с амплитудой I_r и проводимостью G_r, то согласованную нагрузку генератора может отдать мощность .

Таким образом, эффективность

(B.1)

Существенно подчеркнуть, что эффективность пропорциональна мощности в нагрузке, а не коэффициенту усиления каскада по мощности. Эти две характеристики совпадают только в том случае, если каскад УЧ согласован с возбудителем, когда последний отдает всю возможную мощность.

Максимальное значение эффективности получается, если каскад УЧ согласован как с возбудителем, так и с нагрузкой. Это максимальное значение представляет интерес по двум причинам:

Во-первых, оно пропорционально наибольшему значению мощности, которое можно получить в нагрузке;

Во-вторых, в многокаскадной схеме только при согласовании каскадов между собой общая эффективность равна произведению эффективностей его каскадов. В противном случае общая эффективность меньше такого произведения, а расчет многокаскадной схемы не сводится к расчету ее отдельных каскадов.

Мощность, потребляемая от источника, и кпд также являются весьма каждыми характеристиками УЧ, поскольку позволяют правильно спроектировать источник питания. Самостоятельный интерес эти характеристики представляют весьма редко, так как редко приходится проектировать УЧ для получения максимально достижимого кпд. В большинстве случаев УЧ приходится проектировать так, чтобы он либо давал на выходе наибольшую колебательную мощность, либо удовлетворял каким-нибудь специальным требованиям в отношении формы выходного сигнала ( малый уровень побочных гармоник, стабильность фазы выходного сигнала и т.п.). Дело в том, что высокочастотная энергия возбудителя обычно значительно «дороже» энергии источника питания. Поэтому именно в первую, а не вторую стремятся передать с наименьшими потерями.

В соответствии со сказанным кпд умножителей частоты не рассматривается. Приводятся лишь выражения, позволяющие рассчитать постоянные составляющие токов, а значит, и мощности, потребляемые от источников. Зависимость эффективности от различных параметров УЧ исследована весьма подробно.

2.УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙ ЧАСТОТЫ.²

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. На 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

тому носит название однокольцевого. На выходе УЧ стоит буферный каскад (БК), снижающий влияние нагрузки УЧ на генератор, управляемый по частоте (УГ). Он изображен для того, чтобы показать, что выходной сигнал УЧ может отличаться по уровню от и иметь частоту, определяемую УГ. Напряжение с выхода УГ одновременно подается на вход тракта обратной связи (ТОС), в котором включен делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД). С помощью ДПКД частота УГ понижается в коэффициент деления N раз. Сигнал на выходе делителя представляет собой последовательность импульсов с частотой следования . Как и во всякой системе регулирования, для образования сигнала ошибки в ИФАПЧ имеется датчик рассогласования, называемый обычно дискриминатором (Д). В качестве дискриминатора в ИФАПЧ используется импульсно-фазовый детектор (ИФД) или импульсный частотно-фазовый детектор (ИЧФД). Колебания поступают на так называемый сигнальный вход Д. На опорный вход дискриминатора подается импульсная последовательность с частотой следования , формирующейся на выходе делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД). На вход ДФКД воздействует синусоидальный сигнал . Частота (где – коэффициент деления ДФКД) называется частотой сравнения. Поскольку на вход Д поступают две импульсные последовательности и , то, строго говоря, нельзя говорить об изменении разности фаз между ними, поскольку речь идет не о гармонических сигналах. Физический смысл имеет лишь разность времени подачи на вход Д тех или иных импульсных сигналов. Однако, учитывая квазипериодический характер , при малых отклонениях от стационарного значения вводят понятие разности фаз между импульсами разных последовательностей, причем , где . Фактически речь может идти о разности фаз первых гармоник сигналов и . В дискриминаторе происходит выделение информации о фазовом (временном) рассогласовании между импульсами последовательностей и и преобразование ее в выходной сигнал (напряжение или ток). Определение статической фазовой характеристики (или сокращенно фазовой характеристики) дискриминатора производится в стационарном режиме при равенстве частот . При этом усреднением во времени на интервале находится постоянная составляющая сигнала на выходе дискриминатора . Фазовая характеристика нелинейна и при монотонном изменении во времени носит периодический характер.

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

ростейшим методом, относящимся к первой группе, является предварительная установка частоты УГ вблизи требуемого номинального значения (рисунок 1.2). Для этого в схему вводится цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и дешифратор (ДШ). Весь диапазон перестройки УГ делится на ряд поддиапазонов. Предварительная установка частоты УГ производится подачей на второй вход сумматора напряжений (См) напряжения с выхода ЦАП. Точная установка частоты УГ, т.е. режим синхронизма, осуществляется затем системой ИФАПЧ.

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 вари

анты 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

аксимальное время поиска в этом случае , где n – разрядность ЦАП.

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).