Умножитель частоты Советский патент 1978 года по МПК H02M5/16 

(54) УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

1

Изобретение относится к автоматике и радиотехнике, может найти применение в различных устройствах для преобразования инфор.мации, а также для умножения частот инфранизкого диапазона.

Известны умножители частоты на магнитных элементах, нринцип действия которых основан на сложении полуволн вторичных ЭДС ряда последовательно соединенных пиктрансформаторов 1.

Известны также умножители частоты на электронных лампах и полупроводниковых приборах, принцип действия которых основан на преднамеренном искажении входных колебаний, приводящем к появлению высших гармошк, с последуюишм выделением необходимой гармоники резонансными избирательными элементами 2.

Известны также оптимальные умножители частоты на электронных лампах, работа которых основана на синтезировании вольт-амперных характеристик специальной формы, приближающейся к форме полинома Чебышева соответствующего порядка,, с целью выделения kЧ)бxoдимoй гармоники с одновременным под;;илением остальных гармоник 3.

Кроме того известны ступенчатый матнитfn iii умножитель часюты, позволяющий изменять коэффициент умножения без схемных изменений 4, а также умножитель частоты (5J на магнитных сердечниках, позволяющий получить выходной импульсный сигнал умноженной частоты путем поочередного перемагничивания всех сердечников импульсными сигналами двух управляющих обмоток. Поочередность неремагничивания сердечников во времени достигается за счет различных чисел витков в. одной из цепей управляю цих обмоток, а значит и различных МДС, создан1 ых в сердечниках. Коэффициент умножения схемы равен числу кольцевых сердечников.

Недостатки известных умножителей частоты.

1)Умножители частоты на пиктрансформяторах при больших коэффициентах умножения

m имеют весьма сложную схему, включающую m трансформаторов.

2)Умножители частоты с избирательными схемами обладают низкой эффективностью, так как с увеличением номера выделяемой гарйонмки резко уменьшается ее амплитуда, поэтому на ряду с фильтрацией требуется дополнительное усиление выходного сигнала.

3)Оптимальные умножители частоты с большим коэффициентом умножения m трудно реализуемы, имеют сложную схему и неизменный при данной схеме коэффициент умножения, регулировка которого невозможна. 4) Ступенчатый магнитный умножитель частоты имеет сложную схему и весьма узкий диапазон в области инфранизких частот. Прототипом предлагаемого устройства является умножитель частоты 5, содержащий формирователь амплитудно-модулированного сигнала и ферромагнитные сердечники с расположенными на них o6iMOTKaMH управления, каждая из которых включена в одну из двух последовательных цепей, и выходными обмотками, соединенными последовательно по схеме сложения, причем обмотки управления первой из цепей имеют на каждом сердечнике разное число витков и каждая из них включена встречно по отношению к соответствующей обмотке второй цепи. Это устройство имеет значительные массу и .габариты; в спектре выходного сигнала имеется первая гармоника частоты входного сигнала, по величине сравнимая с амплитудой сигнала умноженной частоты; плохая форма выходного сигнала не позволяет использовать его для квазиидеального умножения; нижний предел частотного диапазона ограничен постоянной времени пер&ой цепи обмоток управления, из-за чего устройство не может бьпь использовано в диапазоне инфранизких частот. Предлагаемое устройство отличается тем,что в него введены соединенные последовательно дополнительные обмотки, расположенные гю одной на каждом сердечнике и подключенные к формирователю амплитудно-модулироваиного сигнала, который через выпрямитель соединен со второй из последовательных цепей. Концы первой цепи соединены с выводами для подключения источника постоянного напряжения, а выходные обмотки - с выходными выводами через вспомогательную детектирующую цепочку, причем обмотки второй цепи и выходные обмотки имеют на каждом сердечнике различное число витков. Минимальное количество сердечников равно при четном коэффициенте умножения половине его значения, а при нечетном - половине этого коэффициента, увеличенной на единицу. Указанные отличия позволяют расщирить функцион Л.ные возможности устройства, улучшить форму выходного сигнала и уменьщить его массу и габариты. На ФИГ. 1 изображена принципиальная схема предлагае.мого умножителя частоты; на фиг. 2 - графическая иллюстрация процесса умножения частоты. Умножитель частоты состоит из формирователя амплитудно-модулированного сигнала на двух ферромагнитных кольцевых сердечниках 1 и 2, щестиполюсника, реализующего амплитудную характеристику гребенчатого вида, и детектирующей цепи, включающий в себя вентиль 3 и конденсатор 4. На каждом сердечнике формирователя расположена система обмоток, причем одноименные обмотки сердечников полностью идентичны. Обмотки Wi сердечников, включенные последовательно и согласно, подсоединены к источнику модулирующего входного сигнала Ucx. Обмотки Wa, соединенные последовательно и встречно, подключены к источнику сигнала несущей частоты UH, Обмотки Wj, с которых снимаются амплитудно-модулированный сигнал, включены последовательно и встречно. Шестиполюсник, реализующий характеристику гребенчатого вида, представляет собой последовательность ni, П2... п„ кольцевых ферромагнитных сердечников с системами обмоток на них. Сердечники выполняются из материала с петлей гистерезиса, близкой к прямоугольной (ферриты, пермаллой и т.п.). Каждый сердечник с системой обмоток является по существу управляемым трансформатором, имеющим определенного вида амплитудную характеристику. Максимально возможный коэффициент умножения для данной схемы равен удвоенному количеству сердечников, щестиполюсника т,ц.; 2 Пл7. На каждом из п сердечников расположены четыре обмотки: две обмбтки переменного тока (дополнительная W4 и выходная Ws) и две обмотки управления (обм.отка опорного подмагничивания We и об.мотка Wj), являющиеся обмотками постоянного тока. Одноименные обмотки, за исключением обмоток управления и выходных обмоток, выполнены с одинаковым числом витков. Дополнительные обмотки V/. являющиеся первичными обмотками управляе мых трансформаторов, соединены последовательно и подключены к выходной цепи формирователя амплитудно-модулированного сигнала. Обмотки опорного подмагничивания We, служащие для начального насыщения сердечников, соединены последовательно и подключены к источнику постоянного напряжения неизменной величины. Обмотки управления W/, предназначенные для изменения магнитного состояния сердечников одновременно с изменением амплитуды входного сигнала, соединены последовательно и подключены через выпрямительный мост 5 к выходу формирователя. Выходные обмотки Wa, являющиеся вторичными обмотками управляемых трансформаторов, соединены последовательно и согласно, т.е. по схеме сложения и подключены ко входу детектирующей цепи. С конденсатора этой цепи снимается напряжение . Работает предлагаемый умножитель частоты следующим образом. В исходном состоянии, при отсутствии сигналов на обмотках Wi и W2, все сердечники Пь п... п щестиполюсника под действием МДС обмоток опорного подмагничивания We насыщены. При поступлении на входные обмотки Wi гармонического сигнала Uix sinnt с частотой л и на обмотки Wii сигнала UM sin o)t несущей частоты 0) (о) л) в выходных обмотках Wj трансформируется амплитудно-модулированный сигнал с частотой модуляции .ii. Принципиально возможно было бы построение модулятора на одном кольцевом сердечнике. Однако при этом значительно искажается форма выходного сигнала, в связи с чем воз- . никает необходимость во втором сердечнике с системой обмоток, играющем роль компенсирующего элемента. Сигнал на выходе модулятора искажается в связи с тем, что в спектре- сигнала, трансформированного в обмотках Wj, появляется составляющая частота л. Выполнение модулятора на двух сердечниках позволяет исключить этот эффект за счет согласного включения обмоток Wi и встречного включения обмоток Ws- Амплитудно-модулированный сигнал с выхода формирователя поступаei- на последовательно соединенные обмотки W4 щестиполюсника, реализующего характеристику гребенчатого вида. Рассмотрим результат воздействия амплитудно-модулированного сигнала на данный щестиполюсник за интервал времени, равный одному периоду Т частоты огибающей о.. По мере возрастания сигнала на входе щестиполюсника от нулевого значения до некоторой величины степень насыщения каждого сердечника изменяется в сторону уменьшения. Это объясняется тем, что вместе с ростом амплитуды входного сигнала растут МДС обмоток управления W, создающие в каждом сердечнике магнитное поле, действующее навстречу полю, созданному соответствующей обмоткой We. При некотором значении амплитуды входного сигнала поля обмоток We и W оказываются скомпенсированными, а дальнейший рост амплитуды входного сигнала вновь приводит сердечник к насыщению, но уже под действием поля обмотки управления Wr- Следовательно, изменение амплитуды входного сигнала вызывает вначале возрастание амплитуды выходногЪ сигнала каждого управляемого трансформатора от нуля до некоторого максимального значения, а затем убывание вновь до нуля. Таким образом, амплитудная характеристика У«(,х fm( любого ш-ного управлявмого трансформатора имеет колоколообразный вид. Так как обмотки W-, всех сердечников соединены последовательно и согласно, то на выходе щестиполюсника складываются выходные ЭДС отдельных управляемых трансформаторов. При этом в связи с тем, что обмотки управления W/ выполнены с различными числами витков, колоколообразные характеристики окавываются смещенными друг относительно друV/ Vга, а выполнение условия г. Ws, ,,(na делает их равноотстоящими между собой пооси абсцисс. Результирующая характеристика щестиполюсника, определяечая как сумма всех колоколообразных характеристик f (Ui-x), имеет вид гребенчатой :кривой. Число максимумов этой кривой определяется количеством управляемых трансформаторов. Выполняя обмотки Ws с неодинаковыми числами витков, можно добиться равенства всех максимумов гребенчатой характеристики. Вид гребенчатой характеристики щестиполюсника представлен на фиг. 2 графическая зависимость Us(,,x f (U.). Графическая иллюстрация амплитудно-модулированного колебания на входе щестиполюсника дана на графике U pit). Зависимость от времени выходного напряжения Uf4,x(t) умножителя частоты представлена также на фиг. 2. За один период Т изменения огибающей сигнала U, поступающего на вход шестиполюсника, амплитуда огибающей выходного сигнала изменяет свое значение от максимального до минимального 2 n,,i раз в связи с тем, что выходная характеристика щестиполюсника имеет гребенчатый вид. Следовательно, амплитудно-модулированный сигнал, прощедший через указанный щестиполюсник, имеет частоту огибающей, в 2 п,„ раз большую, т.е. 2п„,л. Как видно из графиков U(t) и UA/X (UK,) (фиг. 2), умножшяе частоты в 2п раз должно происходить При определенной ам 1литуде сигнала, чтобы амплитуда огибающей при своем изменении проходила Пт максимумов гребенчатой характеристики Ueo(,(Ui). Отсюда следует вывод, что изменяя дискретно амплитуду и сигнала ина величину, равную полуинтервалу между двумя соседними максимумами гребенчатой характеристики, можно изменять коэффициент умножения, так как количество тех максимумов, которые будет «охватывать огибающая амплитудно-моду лированного сигнала, различно. Коэффициент умножения можно изменять, таким образом от максимального значения минимального значения 2, причем он может принимать все промежуточные значения 3, 4 5 и т.д. Таким образом, максимальный коэффициент умножения предлагаемого умножителя частоты равен числу полуинтервалов между соседними максимумами гребенчатой кривой шестиполюсника, которые «охватывает амплитуда огибающей амплитудно-модули-рованного сигнала. Следовательно, минимальное количество сердечников шестиполюсника, необходимое при заданном коэффициенте умножения т, равно при четном ш половине его значения, а при нечетном ш - половине этого коэффициента. увеличенного на единицу. Кроме преимущества, заключающегося в возможности регулировки коэффициента умножения, предлагаемая схема умножителя частоты обладает простотой, высокой надежностью, имеет малые габариты и вес, обеспечивает хорошую форму выходного сигнала. В данной схеме имеется принципиальная возможность при небольших коэффициентах умножения (не более 5-6) получить выходной сигнал, весьма близкий по форме к идеальной синусоиде. Наличие на выходе схемы детектирующей цепи позволяет выделить полезный сигнал, изменяющийся с умноженной частотой огибающей. Формула изобретения 1. Умножитель частоты, содержащий формирователь амплитудно-модулированного сигнала и ферромагнитные сердечники с расположенными на них обмотками управления, каждая из которых включена в одну из двух последовательных цепей, и выходными обмотками, соединенными последовательно ао схеме сложения, причем обмотки управления первой из цепей имеют на каждом сердечнике разное число витков и каждая из них включена вс1)ечно по отношению к соответствующей обмотке второй цепи, отличающийся тем, что, с целью раси ирения функциональных возможностей, улучи1ения формы выходного сигнала и уменьшения массо-габаритных показателей, в схему введены соединенные последовательно дополнительные обмотки, расположенные по одной на каждом сердечнике и подключенные к формирователю амплитудно-модулированного сигнала, который через выпрямитель соединен со второй из последоватрльных цепей, конщ | первой цепи соединены с выводами для подключения источника постоянного напряжения, а выходные обмотки соединены с выходными выводами через вспомогательную детектирующую цепочку, причем обмотки второй цепи и выходные обмотки имеют на каждом сердечнике различное число витков. 2. Умможиюль ч;ктог1 1 но 1. 1, отлччинпции ся тем, что минимульное количестш, огрдсчнн ков равно при четном коэффициенте умножении половине его значения, а нри нечетом половине этого коэффициента, увеличенной ни единицу. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.Авторское свидетельство СССР № 154726, Н 02 М 5/16, 1963. 2.Ризкин И. X. Умножители и делители частоты, М., «Связь, 1966. 3.Аралов М. С. Оптимальный пентодный умножитель частоты на четыре, «Радиотехника, 1969, т. 24, № 7. 4.Патент США № 3229192, 321-68, 1966. 5.Патент США № 3262048, кл. 321-68, 1%6.